JP5219171B2 - Spectroscopic method and spectroscopic apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、基板の表面に形成された薄膜又は基板等の表面に吸着された化学種を高感度で分析したり、試料の光吸収特性を測定する分光方法及び分光装置に関する。また、光ファイバーを用いた分光方法及び分光装置に関する。   The present invention relates to a spectroscopic method and a spectroscopic apparatus for analyzing a chemical species adsorbed on a surface of a thin film or a substrate formed on the surface of a substrate with high sensitivity and measuring light absorption characteristics of a sample. The present invention also relates to a spectroscopic method and a spectroscopic device using an optical fiber.

基板等の表面に形成された薄膜或いは基板等の表面吸着された化学種を分析する方法としては、赤外分光分析が幅広く用いられている。これは、各原子間結合等が赤外領域に特定の吸収波長(波数)を有していることに基づくものである。試料をそのまま、或いは溶液等にしてセルへの充填や岩塩板への挟み込みが可能な場合には、フーリエ変換型赤外分光(FTIR)が常用されている。また、近年、透明基板の表面に形成した薄膜等を、透明基板側から赤外光を全反射させることにより、界面付近の当該薄膜におけるエバネッセント波の吸収を測定する全反射減衰法(ATR)が用いられるようになった。ATRによれば、FTIR等の透過型分析に比較し、30倍程度、感度が向上する。   As a method of analyzing a thin film formed on the surface of a substrate or the like or a chemical species adsorbed on the surface of a substrate or the like, infrared spectroscopic analysis is widely used. This is based on the fact that each interatomic bond has a specific absorption wavelength (wave number) in the infrared region. When the sample can be used as it is or as a solution or the like and can be filled into a cell or sandwiched into a rock salt plate, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is commonly used. In recent years, the total reflection attenuation method (ATR) for measuring absorption of evanescent waves in the thin film near the interface by totally reflecting infrared light from the transparent substrate side of the thin film formed on the surface of the transparent substrate has been developed. It came to be used. According to ATR, the sensitivity is improved by about 30 times compared to the transmission type analysis such as FTIR.

一方、キャビティリングダウン分光(CRD)が近年盛んに開発されている。キャビティリングダウン分光においては、少なくとも2個のミラーによりキャビティを形成し、そのキャビティ内に検査対象物質(試料)を導入し、キャビティ内の試料の光吸収により減衰するリングダウンパルス光を用いて試料を分光分析するものである。キャビティリングダウン分光においては、主として光吸収による光強度の減衰における減衰定数を測定することで、試料の各波長における吸収係数を求め、試料の同定及び定量が行われる。また、下記特許文献3、4に示すように、キャビティに代えてループファイバーにパルス光を循環させ、又は、端面で反射する直線ファイバーにパルス光を往復進行させて、パルス光のリングダウン特性を測定することで物質の吸収特性を得る方法が知られている。   On the other hand, cavity ring-down spectroscopy (CRD) has been actively developed in recent years. In cavity ring-down spectroscopy, a cavity is formed by at least two mirrors, a substance to be inspected (sample) is introduced into the cavity, and a sample is prepared by using ring-down pulse light attenuated by light absorption of the sample in the cavity. Are spectroscopically analyzed. In cavity ring-down spectroscopy, an absorption coefficient at each wavelength of a sample is obtained by measuring an attenuation constant in attenuation of light intensity mainly due to light absorption, and the sample is identified and quantified. In addition, as shown in Patent Documents 3 and 4 below, pulse light is circulated through a loop fiber instead of a cavity, or pulse light is reciprocated through a straight fiber reflected at an end face, thereby improving ring-down characteristics of the pulse light. A method for obtaining absorption characteristics of a substance by measurement is known.

特開2000−338037号公報JP 2000-338037 A 特開2001−194299号公報JP 2001-194299 A 特開2004−333337号公報JP 2004-333337 A USP6,842,548B2USP 6,842,548B2 USP7,012,696B2USP 7,012,696 B2

ところが、連続して出力されるレーザ光を用いてCRD分析を行う際は、キャビティ内でレーザを共振状態としたのちレーザ入力を遮断して、キャビティからの出力(リングダウン光)を分析する方法が取られていた。
一方、近年、極めてパルス幅の狭い、波長可変のソリトンパルス光源が開発されている。そこで本願発明者らは、この波長可変のソリトンパルス光源等を用いて、新たなCRD分光装置を完成するに至った。
However, when CRD analysis is performed using continuously output laser light, the laser is made to resonate in the cavity, and then the laser input is cut off to analyze the output from the cavity (ring-down light). Was taken.
On the other hand, in recent years, a soliton pulse light source having a very narrow pulse width and variable wavelength has been developed. Therefore, the inventors of the present application have completed a new CRD spectroscopic apparatus using this wavelength-tunable soliton pulse light source and the like.

また、従来のキャビティリングダウン分光法で用いられているパルス光源は波長が1 μm から2 μm の生体分光を行う上で重要となる近赤外域で連続的に変化する光源及び光学系に対応していなかった。従来の光源はnsオーダのパルス幅があり、パルスが重ならないためにも1cm 以下のキャビティ長にして小型化することができないという問題があった。例えば、5ns の場合キャビティ長は最短でも15cmとなるが、500fs にすると150 μm となる。このようにパルス幅は微小キャビティ化、それによる高速応答現象の観測などに非常に有効となるが、このような広帯域な波長幅、キャビティの微小化に対応していなかった。   In addition, the pulsed light source used in conventional cavity ring-down spectroscopy is compatible with light sources and optical systems that change continuously in the near-infrared region, which is important for biological spectroscopy with wavelengths of 1 μm to 2 μm. It wasn't. A conventional light source has a pulse width of the order of ns, and there is a problem that a cavity length of 1 cm or less cannot be reduced because the pulses do not overlap. For example, at 5 ns, the cavity length is at least 15 cm, but at 500 fs, it becomes 150 μm. As described above, the pulse width is very effective for making a microcavity and thereby observing a high-speed response phenomenon. However, it does not correspond to such a wide wavelength width and miniaturization of the cavity.

また、CRDSの高S/N 化のため特許文献1、特許文献5に記載の光ヘテロダイン検出法を用いる方法が発明されているが、超音波変調器や偏光ビームスプリッタ、波長板など波長依存性が大きく、1 μm から2 μm のような広帯域の波長幅に対応する素子はなく、広い波長範囲で、高いS/N での測定が不可能であった。   Further, in order to increase the S / N ratio of CRDS, methods using the optical heterodyne detection method described in Patent Document 1 and Patent Document 5 have been invented. However, the wavelength dependence of an ultrasonic modulator, a polarizing beam splitter, a wavelength plate, etc. has been invented. However, there is no element that supports a wide wavelength range such as 1 μm to 2 μm, and measurement with a high S / N was impossible over a wide wavelength range.

また、上記のいずれのリングダウン分光法においても、リングダウンパルスの減衰特性から試料の吸収特性を求めるものである。したがって、試料の吸収特性に非線形性があると、測定値に誤差が含まれることになり、吸収率の精度が向上しないという問題がある。また、測定精度を向上させるには、リングダウンパルスの測定系において、直線性の良い広いダイナミックレンジを必要とした。
また、測定系での光減衰が存在すると、試料の吸収率は、その測定系の減衰率よりも大きな吸収率でないと測定できないという問題がある。
そこで、本発明者らは、試料と相互作用をする光の振幅を一定値にした状態で、試料の吸収特性を測定することで測定精度を向上させたリングダウン分光ができないかを検討し、本発明を完成させた。
In any of the ring-down spectroscopy methods described above, the absorption characteristic of the sample is obtained from the attenuation characteristic of the ring-down pulse. Therefore, if there is nonlinearity in the absorption characteristic of the sample, an error is included in the measured value, and there is a problem that the accuracy of the absorption rate is not improved. In order to improve the measurement accuracy, a ring-type pulse measurement system requires a wide dynamic range with good linearity.
In addition, when there is optical attenuation in the measurement system, there is a problem that the sample cannot be measured unless the absorption rate of the sample is larger than the attenuation rate of the measurement system.
Therefore, the present inventors examined whether ring-down spectroscopy with improved measurement accuracy by measuring the absorption characteristics of the sample in a state where the amplitude of the light interacting with the sample was a constant value, The present invention has been completed.

また、上記のいずれのリングダウン分光法においても、用いられる光はパルスレーザ光であり、試料の波長吸収特性を求めるには、レーザの波長を変化させて、リングダウン分光する必要があった。
このため、光源には、波長可変パルスレーザを用いる必要があった。
本発明者らは、波長可変パルスレーザを用いることなく、リングダウン分光ができないかを検討し、本発明を完成させた。
In any of the ring-down spectroscopy methods described above, the light used is pulsed laser light, and in order to obtain the wavelength absorption characteristics of the sample, it is necessary to perform ring-down spectroscopy by changing the wavelength of the laser.
For this reason, it is necessary to use a tunable pulse laser as the light source.
The present inventors have examined whether ring-down spectroscopy can be performed without using a wavelength tunable pulse laser, and have completed the present invention.

本発明の目的は、上記の課題を解決するために成されたものであり、第1の目的は、新たな構成のキャビティリングダウン分光方法及び分光装置を実現することである。
また、第2の目的は、試料と相互作用をする光のリングダウン光の減衰がない状態に光増幅素子の増幅率を設定して、この増幅率や減衰光量から試料の吸収特性を測定できるようにすることである。
また、第3の目的は、波長可変パルスレーザを用いることなくリングダウを実現することである。
また、第4の目的は、測定精度を向上させることである。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and a first object is to realize a cavity ring-down spectroscopic method and a spectroscopic device having a new configuration.
The second object is to set the amplification factor of the optical amplifying element in a state where the ring-down light of the light interacting with the sample is not attenuated, and to measure the absorption characteristic of the sample from the amplification factor and the attenuated light quantity. Is to do so.
The third object is to realize ring-down without using a wavelength tunable pulse laser.
A fourth object is to improve measurement accuracy.

請求項1に係る発明は、光吸収特性を測定すべき試料と相互作用する光ファイバーにパルスレーザ光を導き、試料の光吸収によるリングダウンパルス光を外部に出力してこのリングダウンパルス光の減衰特性から試料の吸収特性を測定することを特徴とする分光方法において、パルスレーザ光をスペクトルが広いレーザ光とし、光ファイバーを強分散光ファイバーとし、リングダウンパルス光のパルス幅を順次広くして、波長に対応した時刻列におけるパルス列のリングダウン減衰定数から波長吸収特性を測定することを特徴とする分光方法である。
上記の光ファイバーはループ状に形成して、そのループ状の光ファイバーに光を循環させるようにしても良いし、線状に形成して、その両端面を反射面にして光を往復移動させるようにしても良い。
According to the first aspect of the present invention, a pulsed laser beam is guided to an optical fiber that interacts with a sample whose light absorption characteristics are to be measured, and a ringdown pulsed light due to the sample's light absorption is output to the outside to attenuate the ringdown pulsed light. In the spectroscopic method characterized by measuring the absorption characteristics of the sample from the characteristics, the pulse laser beam is a laser beam having a broad spectrum, the optical fiber is a strong dispersion optical fiber, the pulse width of the ring-down pulse light is sequentially increased, and the wavelength The wavelength absorption characteristic is measured from the ring-down attenuation constant of the pulse train in the time train corresponding to the above.
The optical fiber may be formed in a loop shape, and light may be circulated through the loop-shaped optical fiber, or it may be formed in a linear shape so that light is reciprocated with both end surfaces as reflection surfaces. May be.

レーザ光には、例えば、広帯域スーパーコンティニュームレーザ光を用いるのが良い。励起光源には、通常の半導体レーザ、その他の固体レーザ、気体レーザなど任意のレーザを用いることができる。本発明は、スペクトルが広いレーザ光を用い、強分散の光ファイバーを用いて波長毎に位相速度が変化することを利用して、波長毎にリングダウンパルスの周期が異なることを利用したものである。広帯域スーパーコンティニュームレーザ光は、次のように得られる。長さ5m程度の分散シフト高非線形ファイバーに超短パルス幅(例えば、ソリトン波レーザ光)レーザ光を入射させると、1.25μm〜1.95μmの範囲で連続スペクトルを有した広帯域スーパーコンティニュームレーザ光が得られる。また、200mの分散シフト高非線形ファイバーを用いると、1.0μmから2.2μmの範囲で連続スペクトルを有した広帯域スーパーコンティニュームレーザ光が得られる(西澤典彦、後藤俊夫, 固体物理Vol.39 No.10,(2004),pp665-678 )。   As the laser light, for example, a broadband super continuum laser light may be used. As the excitation light source, an arbitrary laser such as a normal semiconductor laser, other solid-state laser, or gas laser can be used. The present invention utilizes the fact that the period of the ring-down pulse is different for each wavelength by using a laser beam having a wide spectrum and utilizing the fact that the phase velocity changes for each wavelength using a strong dispersion optical fiber. . The broadband super continuum laser beam is obtained as follows. A broadband supercontinuum laser having a continuous spectrum in the range of 1.25 μm to 1.95 μm when an ultrashort pulse width (for example, soliton laser beam) laser light is incident on a dispersion-shifted highly nonlinear fiber having a length of about 5 m. Light is obtained. In addition, using a 200m dispersion-shifted highly nonlinear fiber, a broadband supercontinuum laser beam having a continuous spectrum in the range of 1.0 to 2.2 μm can be obtained (Norihiko Nishizawa, Toshio Goto, Solid State Physics Vol.39 No .10, (2004), pp665-678).

また、請求項2に記載の発明は、試料の光吸収特性を測定する分光装置において、光吸収特性を測定すべき試料にレーザパルス光を導く強分散の光ファイバーと、スペクトル幅の広いレーザパルス光を発生するレーザ装置と、光ファイバーを循環又は往復移動するリングダウンパルス光のパルス幅を順次広くして、外部に出力し、このリングダウンパルス光の減衰特性において、波長に対応した時刻列におけるパルス列のリングダウン減衰定数から波長吸収特性を得る処理装置とを有することを特徴とする分光装置である。
レーザ光には、上記と同様に、例えば、広帯域スーパーコンティニュームレーザ光を用いるのが良い。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a spectroscopic device for measuring a light absorption characteristic of a sample, a strongly dispersed optical fiber for guiding the laser pulse light to the sample whose light absorption characteristic is to be measured, and a laser pulse light having a wide spectrum width. And the pulse width of the ring-down pulse light that circulates or reciprocates through the optical fiber and outputs it to the outside, and in the attenuation characteristic of this ring-down pulse light, the pulse train in the time train corresponding to the wavelength And a processing device for obtaining a wavelength absorption characteristic from the ring-down attenuation constant of the spectroscopic device.
As the laser beam, for example, a broadband supercontinuum laser beam may be used as described above.

また、請求項3に記載の発明は、光ファイバーに光結合する第1光伝送路と、その第1光伝送路を光ファイバーに光結合させる方向性光結合素子とを有し、その第1光伝送路の一端にレーザ装置、他端にリングダウンパルス光を受光する処理装置の受光素子を設けたことを特徴とする請求項2に記載の分光装置である。   The invention according to claim 3 includes a first optical transmission line optically coupled to the optical fiber, and a directional optical coupling element optically coupling the first optical transmission line to the optical fiber, and the first optical transmission. 3. The spectroscopic apparatus according to claim 2, wherein a laser device is provided at one end of the path, and a light receiving element of a processing device that receives ring-down pulse light is provided at the other end.

また、請求項3に記載の発明は、光ファイバーにおいて方向性光結合素子と異なる位置に配設された他の光結合素子により、リングダウンパルス光を第1光伝送路と異なる第2光伝送路に出力させ、この第2光伝送路に処理装置の受光素子を接続したことを特徴とする請求項2に記載の分光装置である。
この発明は、レーザ光の導入系統と、リングダウンパルス光の導出系統を別の系統にしたことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a second optical transmission line in which ring-down pulse light is different from the first optical transmission line by another optical coupling element disposed at a position different from the directional optical coupling element in the optical fiber. The spectroscopic device according to claim 2, wherein a light receiving element of a processing device is connected to the second optical transmission line.
The present invention is characterized in that a system for introducing laser light and a system for deriving ring-down pulse light are separated.

上記の特許請求の範囲の発明とは、別に、本明細書には以下の発明も記載されている。
第1は、試料の光吸収特性を測定する分光装置において、光吸収特性を測定すべき試料に光を導く光ファイバーと、光ファイバーと光結合しパルス光を伝搬させる第1光伝送路と、光ファイバーを循環又は往復移動するリングダウンパルス光を外部に出力してこのリングダウンパルス光を検出して処理する処理装置と、複数本の光路長の異なる光伝送路から成り、第1光伝送路に対して光分岐して、その分岐点から処理装置に入力するまでの光路長を、光ファイバーの光路長単位で、切り替え制御できる第2光伝送路とから成ることを特徴とする分光装置である。
Apart from the invention of the above claims, the following invention is also described in this specification.
First, in a spectroscopic device that measures the light absorption characteristics of a sample, an optical fiber that guides light to the sample whose light absorption characteristics are to be measured, a first optical transmission line that optically couples with the optical fiber and propagates pulsed light, and an optical fiber It consists of a processing device that outputs the ring-down pulse light that circulates or reciprocates to the outside and detects and processes this ring-down pulse light, and a plurality of optical transmission lines having different optical path lengths. And a second optical transmission line capable of switching the optical path length from the branching point to the input to the processing device in units of optical path lengths of the optical fiber.

すなわち、本発明は、各リングダウンパルスが処理装置に到達する時刻と同一時刻に、パルス光が第2伝送路を伝送して処理装置に到達するように、複数本の光伝送路を切り替えるようにしたことが特徴である。   That is, the present invention switches a plurality of optical transmission lines so that the pulsed light is transmitted through the second transmission line and reaches the processing device at the same time as each ring-down pulse reaches the processing device. The feature is that

また、第2は、第2光伝送路は、1つのパルス光に対して測定すべきリングダウンパルスの数だけの光路長の異なる伝送路で構成されていることを特徴とする分光装置である。測定対象とする全てのリングダウンパルスに同期させるために、その数の光路長の異なる伝送路が必要となる。
また、第3は、第2光伝送路を構成する複数の光伝送路は、それぞれ、ピエゾチューブスキャナに巻かれた光ファイバーから成ることを特徴とする分光装置である。
ピエゾチューブスキャナに光ファイバーを巻いて光伝送路を構成することにより、ピエゾチューブスキャナを振動させて、実効的な光路長を振動させることで、リングダウンパルスと第2光伝送路を伝搬したパルス光とを処理装置において同期検波させることができる。
The second is a spectroscopic device characterized in that the second optical transmission line is composed of transmission lines having different optical path lengths by the number of ring-down pulses to be measured for one pulsed light. . In order to synchronize with all the ring-down pulses to be measured, transmission lines having different numbers of optical path lengths are required.
The third is a spectroscopic device characterized in that each of the plurality of optical transmission lines constituting the second optical transmission line is composed of an optical fiber wound around a piezo tube scanner.
An optical fiber is wound around the piezo tube scanner to form an optical transmission line, and the piezo tube scanner is vibrated to vibrate the effective optical path length, thereby causing the pulsed light propagated through the ring-down pulse and the second optical transmission line. Can be synchronously detected in the processing device.

また、第4は、パルス光は、パルスの幅が1ps以下の短パルス光であることを特徴とする分光装置である。また、パルス幅が500fs以下の極短パルス光を用いることも有効である。
また、第5は、フェムト秒レーザによる近赤外波長可変ソリトンパルス光発生光源による極短パルス光を用いることを特徴とする分光装置である。
また、第6は、広帯域スーパーコンティニュアム光発生光源による極短パルス光を用いることを特徴とするキャビティリングダウン分光装置である。
The fourth is a spectroscopic device characterized in that the pulsed light is short pulsed light having a pulse width of 1 ps or less. It is also effective to use ultrashort pulse light having a pulse width of 500 fs or less.
The fifth is a spectroscopic device characterized by using ultrashort pulsed light from a near-infrared wavelength variable soliton pulsed light generating light source using a femtosecond laser.
The sixth is a cavity ring-down spectroscopic device characterized by using ultrashort pulsed light from a broadband supercontinuum light generating light source.

第7は、所定波長であって、各パルスの幅が1ps以下の極短光パルスのパルス列である信号光と、信号光から分岐された参照光とを用い、測定中に、当該参照光の光路長を順次長くして、信号光がキャビティを通過したリングダウン光と参照光との干渉をホモダイン検波することを特徴とするキャビティリングダウン分光分析方法である。各パルスの幅を500fs以下としても良い。   Seventh, a signal light that is a pulse train of an ultrashort optical pulse having a predetermined wavelength and each pulse having a width of 1 ps or less and a reference light branched from the signal light are used to measure the reference light during measurement. A cavity ring-down spectroscopic analysis method characterized in that the optical path length is sequentially increased, and homodyne detection is performed on interference between ring-down light and signal light having passed through the cavity. The width of each pulse may be 500 fs or less.

また、第8は、フェムト秒レーザによる近赤外波長可変ソリトンパルス光発生光源による極短光パルスのパルス列を用いることを特徴とする。また、第9は、光源として、広帯域スーパーコンティニュアム光発生光源による極短光パルスのパルス列を用いることを特徴とする。   The eighth is characterized in that a pulse train of ultrashort light pulses by a near-infrared wavelength variable soliton pulse light generation light source by a femtosecond laser is used. Ninth, a pulse train of ultrashort light pulses from a broadband supercontinuum light generating light source is used as the light source.

第10は、所定波長であって、各パルスの幅が1ps以下の極短光パルス列を発生する光源と、前記光源の出力するパルス列を2つ経路に分岐する光分岐手段と、前記光分岐手段の第1の光出力に接続される2つの高反射ミラーを有し、当該2つの高反射ミラーにより形成される光路に試料を配置可能としたキャビティと、前記光分岐手段の第2の光出力に接続され、光路長を可変とする可変長光路部と、前記キャビティの光出力と前記可変長光路部の光出力の干渉を電気信号として出力するホモダイン検波手段とを有することを特徴とするキャビティリングダウン分光分析装置である。各パルスの幅は500fs以下であっても良い。   Tenth, a light source that generates an ultrashort optical pulse train having a predetermined wavelength and each pulse width of 1 ps or less, an optical branching device that branches the pulse train output from the light source into two paths, and the optical branching device A cavity having two high-reflecting mirrors connected to the first optical output of the first optical output, and a sample placed in an optical path formed by the two high-reflecting mirrors; and the second optical output of the optical branching means A cavity having a variable length optical path portion that is variable in optical path length, and homodyne detection means that outputs an interference between the optical output of the cavity and the optical output of the variable length optical path portion as an electrical signal. It is a ring-down spectroscopic analyzer. The width of each pulse may be 500 fs or less.

また、第11は、前記可変長光路部には振動可能且つその位置を可変とする可動ミラーを有することを特徴とする。   The eleventh aspect is characterized in that the variable length optical path portion has a movable mirror that can vibrate and change its position.

第12は、光吸収特性を測定すべき試料に光を導く光ファイバーに光を伝搬させて、試料の吸収特性を測定する分光方法において、光ファイバーに光を増幅する増幅素子を設けたことを特徴とする分光方法である。
また、第13は、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、増幅素子の増幅率を、試料を設置しない時の光のリングダウン光が減衰しない増幅率に設定した後に、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光の減衰特性から試料の吸収率を測定することを特徴とする分光方法である。
The twelfth aspect is a spectroscopic method for measuring light absorption characteristics of a sample by propagating light to an optical fiber that guides light to a sample whose light absorption characteristics are to be measured, wherein an amplification element for amplifying light is provided in the optical fiber. This is a spectroscopic method.
In the thirteenth aspect, the light is step-wise decreasing light or pulsed light, and the amplification factor of the amplification element is set to an amplification factor that does not attenuate the ring-down light when the sample is not installed. The spectroscopic method is characterized in that a sample is placed, ring-down light is measured, and the absorption rate of the sample is measured from the attenuation characteristic of the ring-down light.

また、第14は、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光が減衰しないように増幅素子の増幅率を制御し、この増幅率から試料の吸収率を測定することを特徴とする分光方法である。   In the fourteenth aspect, the light is light that decreases stepwise or pulsed light, and the sample is set to measure ringdown light, and the amplification factor of the amplifying element is set so that the ringdown light is not attenuated. It is a spectroscopic method characterized by controlling and measuring the absorption rate of a sample from this amplification factor.

上記の3つの方法において、上記の光ファイバーはループ状に形成して、そのループ状の光ファイバーに光を循環させるようにしても良いし、線状に形成して、その両端面を反射面にして光を往復移動させるようにしても良い。   In the above three methods, the optical fiber may be formed in a loop shape, and light may be circulated through the loop-shaped optical fiber. Alternatively, the optical fiber may be formed in a linear shape, and both end faces thereof may be reflecting surfaces. The light may be reciprocated.

光には、レーザやLED光源を用いることができる。レーザには、通常の半導体レーザ、その他の固体レーザ、気体レーザなど任意のレーザを用いることができる。波長可変レーザを用いることで、試料の波長吸収特性を測定することができる。また、広帯域スーパーコンティニュアム光レーザを用いると、受光素子で受光したリングダウン光の波長解析により、波長吸収特性を求めることができる。   A laser or LED light source can be used for the light. As the laser, any laser such as a normal semiconductor laser, other solid-state laser, or gas laser can be used. By using a wavelength tunable laser, the wavelength absorption characteristics of the sample can be measured. In addition, when a broadband supercontinuum laser is used, the wavelength absorption characteristic can be obtained by wavelength analysis of ring-down light received by the light receiving element.

光は連続光でも、ステップ的に減少する光、パルス光でも良い。ステップ的に減少する光は、光源自体から出力される光を遮断することで実現しても、パルス出力することで実現しても良い。また、光源から出力される光に対する光ファイバーの光結合をステップ的に減少させる方法、パルス的に結合を増加させる方法を用いることができる。光ファイバーの光結合をステップ的に減少させる場合には、光ファイバーに導入される光の振幅がステップ的に減少することを意味する。   The light may be continuous light, light that decreases stepwise, or pulsed light. The light that decreases stepwise may be realized by blocking the light output from the light source itself, or may be realized by outputting a pulse. Further, a method of decreasing the optical coupling of the optical fiber with respect to the light output from the light source in a stepwise manner or a method of increasing the coupling in a pulsed manner can be used. When the optical coupling of the optical fiber is decreased stepwise, it means that the amplitude of light introduced into the optical fiber is decreased stepwise.

パルス的に光結合させる場合には、短いパルス期間の間だけ、光結合させることを意味する。よって、光ファイバーに入射する光の振幅は、ステップ減少関数、又はパルス関数となる。また、光源から出力される光の偏光方向を制御することで、光ファイバーを伝搬する光をステップ減少関数、パルス関数とすることができる。ステップ的に変化させる場合は、偏波方向を急峻にある方向から他の方向に変化させることであり、パルス的に変化させる場合は、偏波方向を急峻にある方向に変化させて、元の偏波方向や他の偏波方向に変化させることを意味する。   When optically coupled in a pulsed manner, it means that the optical coupling is performed only for a short pulse period. Therefore, the amplitude of the light incident on the optical fiber becomes a step decreasing function or a pulse function. Further, by controlling the polarization direction of the light output from the light source, the light propagating through the optical fiber can be made into a step reduction function and a pulse function. When changing in a stepwise manner, the polarization direction is changed from a steep direction to another direction. When changing in a pulse manner, the polarization direction is changed in a steep direction, and the original direction is changed. It means changing to the polarization direction or another polarization direction.

また、第15は、試料の光吸収特性を測定する分光装置において、光吸収特性を測定すべき試料と光とを相互作用させるための光ファイバーと、光を増幅する増幅素子と、光ファイバーを伝搬する光の強度を検出する検出素子と、検出素子により検出された前記光の強度に応じて、増幅素子の増幅率を制御して試料の吸収特性を演算する処理装置とから成る分光装置である。
本発明は、試料と相互作用させる光ファイバーに光を増幅する増幅素子を設けて、その光ファイバーを伝搬する光の強度に応じて、増幅素子の増幅率を設定して試料の吸収特性を測定するようにしたことが特徴である。
Fifteenth, in a spectroscopic device for measuring the light absorption characteristics of a sample, an optical fiber for causing the sample to measure the light absorption characteristics to interact with light, an amplification element for amplifying the light, and the optical fiber are propagated. It is a spectroscopic device comprising a detection element that detects the intensity of light, and a processing apparatus that calculates the absorption characteristics of the sample by controlling the amplification factor of the amplification element according to the intensity of the light detected by the detection element.
According to the present invention, an amplifying element for amplifying light is provided in an optical fiber that interacts with a sample, and the absorption characteristic of the sample is measured by setting the amplification factor of the amplifying element according to the intensity of light propagating through the optical fiber. The feature is that

また、第16は、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、処理装置は、増幅素子の増幅率を、試料を設置しない時の光のリングダウン光が減衰しない増幅率に設定し、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光の減衰特性から試料の吸収率を測定することを特徴とする分光装置である。第13の方法発明に対応する。   In the sixteenth aspect, the light is light that decreases stepwise or pulse light, and the processing apparatus uses the amplification factor of the amplification element as the amplification factor that does not attenuate the ring-down light of the light when the sample is not installed. The spectroscopic apparatus is characterized in that the sample is set, the ring-down light is measured, and the absorption rate of the sample is measured from the attenuation characteristic of the ring-down light. This corresponds to the thirteenth method invention.

また、第17は、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光であり、処理装置は、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光が減衰しないように増幅素子の増幅率を設定して、その増幅率から試料の吸収率を測定することを特徴とする分光装置である。第14の方法発明に対応する。   In the seventeenth aspect, the light is light that decreases stepwise or pulsed light, and the processing apparatus measures the ring-down light by installing a sample, and an amplification element so that the ring-down light is not attenuated The spectroscopic apparatus is characterized in that the absorptance of the sample is set and the absorption rate of the sample is measured from the amplification factor. This corresponds to the fourteenth method invention.

また、第18は、光は連続光であり、処理装置は、増幅素子の増幅率を光の振幅が所定値となるように制御し、この増幅率から試料の吸収特性を測定すること又はループ状の光ファイバキャビティ内の損失を0 にしてから、試料を設置し、その減衰光量から吸収特性を測定することを特徴とする分光装置である。   In the eighteenth aspect, the light is continuous light, and the processing apparatus controls the amplification factor of the amplifying element so that the amplitude of the light becomes a predetermined value, and measures the absorption characteristics of the sample from this amplification factor or loops. This is a spectroscopic device characterized in that the loss in the optical fiber cavity is reduced to 0, a sample is placed, and the absorption characteristics are measured from the amount of attenuated light.

光を連続光としても、試料の吸収特性を求めることができる。光ファイバーを循環又は往復移動する光の振幅は、光の光ファイバーへの入射量と、試料の吸収による損失量とその他の光ファイバー系の損失量とが、平衡状態になる値に収束する。試料が存在しなければその試料による吸収がないので、光ファイバーを伝搬する光の振幅は、試料が存在する場合に比べて増加する。したがって、この差を用いて、光ファイバーを伝搬する光の振幅が所定値となるように、増幅率を制御することで、この増幅率から試料の吸収特性を測定することができる。
同様に、試料が存在しないとき、光ファイバー系の損失量が0 となるよう光の増幅量を設定しておき、試料が存在する場合の減衰光量から吸収特性を測定することができる。
Even if the light is continuous light, the absorption characteristics of the sample can be obtained. The amplitude of the light that circulates or reciprocates through the optical fiber converges to a value at which the amount of incident light on the optical fiber, the amount of loss due to sample absorption, and the amount of loss of other optical fiber systems become balanced. Since there is no absorption by the sample if the sample is not present, the amplitude of light propagating through the optical fiber is increased compared to the case where the sample is present. Therefore, by using this difference and controlling the amplification factor so that the amplitude of the light propagating through the optical fiber becomes a predetermined value, the absorption characteristic of the sample can be measured from this amplification factor.
Similarly, when the sample does not exist, the light amplification amount is set so that the loss amount of the optical fiber system becomes 0, and the absorption characteristic can be measured from the amount of attenuation when the sample exists.

請求項1の方法発明及び請求項2の装置発明では、スペクトル幅が広いレーザ光を用い、光ファイバーに強分散ファイバーを用いている。強分散光ファイバーは、波長毎に位相速度が変化するので、リングダウンパルス光の周期が波長毎に変化することになる。したがって、リングダウンパルス光は、リングダウン回数が多くなるほど、光ファイバーを伝搬する距離が長くなるので、パルスレーザ光の時間幅は広がる。このリングダウンパルス光列の減衰特性から、波長に対応した時刻列に対応するパルス列のリングダウン減衰係数を求め、各波長での減衰係数を求めることができる。これにより、一度に、波長吸収特性を得ることができ、試料の同定分析が可能となる。   In the method invention of claim 1 and the apparatus invention of claim 2, a laser beam having a wide spectral width is used, and a strong dispersion fiber is used for the optical fiber. Since the phase velocity of the strongly dispersed optical fiber changes with the wavelength, the period of the ring-down pulse light changes with the wavelength. Therefore, the ring-down pulsed light has a longer propagation distance through the optical fiber as the number of ring-downs increases, so the time width of the pulsed laser light increases. From the attenuation characteristic of the ring-down pulse light train, the ring-down attenuation coefficient of the pulse train corresponding to the time train corresponding to the wavelength can be obtained, and the attenuation coefficient at each wavelength can be obtained. Thereby, the wavelength absorption characteristic can be obtained at a time, and the sample can be identified and analyzed.

請求項3の装置発明では、一つの方向性光結合素子により、光ファイバーへのパルスレーザ光の入射と、リングダウンパルスの光ファイバーからの取り出しを実現したものである。よって、装置構成が簡単となる。   According to the third aspect of the present invention, the incidence of the pulsed laser beam on the optical fiber and the extraction of the ring-down pulse from the optical fiber are realized by one directional optical coupling element. Therefore, the device configuration is simplified.

請求項4の装置発明では、光ファイバーへのパルスレーザ光の入射と、リングダウンパルスの取り出しを、別々の方向性光結合素子で行うようにしているので、レーザ装置から出力されるパルスレーザ光が受光素子に入射することがないので、リングダウンパルスの精度の高い検出が可能となる。   In the device invention of claim 4, since the incidence of the pulse laser beam to the optical fiber and the extraction of the ring-down pulse are performed by separate directional optical coupling elements, the pulse laser beam output from the laser device is Since it does not enter the light receiving element, it is possible to detect the ring-down pulse with high accuracy.

特許請求の範囲の発明とは、別に、本明細書において記載されている発明については、以下の効果を有する。
第1の発明では、第1光伝送路を伝搬するパルス光は一部分岐して、光ファイバーに入力する。この光ファイバーにおいて、試料による光吸収により、パルス光は順次減衰して、リングダウンパルス光が得られる。このリングダウンパルス光は、光ファイバーから順次、外部に出力されて、処理装置に入力する。一方、第1光伝送路を伝搬するパルス光は、分岐した後、第2光伝送路のうちの選択された一つの光伝送路を伝搬して処理装置に入力する。この時、処理装置においては、あるリングダウンパルス光と、元のパルス光とが同時に到達するようになる。これにより、リングダウンパルス光の同期検波が可能となる。第2光伝送路を構成する光伝送路を変更すれば、その光伝送路の光路長に対応した時間だけ周回したリングダウンパルス光と元のパルス光とは同時に処理装置に入力し、そのリングダウンパルス光の同期検波が可能となる。
Apart from the claimed invention, the invention described in this specification has the following effects.
In the first invention, the pulsed light propagating through the first optical transmission line is partially branched and input to the optical fiber. In this optical fiber, the pulsed light is sequentially attenuated by light absorption by the sample, and ring-down pulsed light is obtained. The ring-down pulse light is sequentially output from the optical fiber to the outside and is input to the processing apparatus. On the other hand, the pulse light propagating through the first optical transmission line is branched and then propagated through one selected optical transmission line of the second optical transmission lines and input to the processing device. At this time, in the processing apparatus, a certain ring-down pulse light and the original pulse light arrive at the same time. As a result, synchronous detection of the ring-down pulse light becomes possible. If the optical transmission path constituting the second optical transmission path is changed, the ring-down pulse light that has circulated for a time corresponding to the optical path length of the optical transmission path and the original pulse light are simultaneously input to the processing device, and the ring Synchronous detection of down-pulse light is possible.

第2の発明では、第2光伝送路を構成する各伝送路を、パルス光に同期して、順次、選択することにより、所定数のリングダウンパルス光を同期検波することができる。
第3の発明では、第2光伝送路を構成する光伝送路をピエゾチューブスキャナに巻かれた光ファイバーで構成することで、ピエゾチューブスキャナを拡大縮小させて光ファイバーを伸縮させて、電気的に光路長を変化させることができる。ピエゾチューブスキャナを電気的に径の大きさを振動させることにより、光路長をある長さを中心として、ある幅で振動させることができる。そして、その光路長の振動幅の中に、処理装置に到達するリングダウンパルス光と、元のパルス光とを同時に到達させるための光路長を存在させることができる。
In the second invention, a predetermined number of ring-down pulse lights can be synchronously detected by sequentially selecting each transmission line constituting the second optical transmission line in synchronization with the pulse light.
In the third invention, the optical transmission path constituting the second optical transmission path is composed of an optical fiber wound around a piezo tube scanner, so that the piezo tube scanner is expanded and contracted to expand and contract the optical fiber, and the optical path is electrically The length can be changed. By electrically vibrating the diameter of the piezo tube scanner, the optical path length can be oscillated with a certain width around a certain length. In the vibration width of the optical path length, there can be an optical path length for causing the ring-down pulsed light reaching the processing apparatus and the original pulsed light to reach simultaneously.

第4の発明では、パルス光のパルス幅が1ps以下の短パルス光を用いると、光ファイバー長が短くても、同期検波による高感度のキャビティリングダウン分光が可能となる。500fs以下の極短パルス光を用いると更に望ましい。また、同期検波するパルスの幅が狭いことから、測定精度が向上し、装置の小型化も可能となる。このような系は、特に微量分析、例えば薄膜の定性及び定量分析、表面吸着の化学種の同定等に有効である。
第5の発明も、第44の発明と同様な効果を有する。
また、第6の発明では、処理装置において波長分析することにより、試料の波長吸収特性を測定することができる。
In the fourth invention, when short pulse light having a pulse width of 1 ps or less is used, high sensitivity cavity ring-down spectroscopy by synchronous detection is possible even if the optical fiber length is short. It is further desirable to use ultrashort pulse light of 500 fs or less. In addition, since the width of the pulse for synchronous detection is narrow, the measurement accuracy is improved and the apparatus can be miniaturized. Such a system is particularly effective for microanalysis, such as qualitative and quantitative analysis of thin films, identification of chemical species for surface adsorption, and the like.
The fifth invention also has the same effect as the 44th invention.
In the sixth invention, the wavelength absorption characteristic of the sample can be measured by performing wavelength analysis in the processing apparatus.

パルス幅が1ps以下の極短光パルスを用いると、キャビティ長が極めて短いキャビティにおいても、ホモダイン検波による高感度のキャビティリングダウン分光分析が可能となる。このような系は、特に微量分析、例えば薄膜の定性及び定量分析、表面吸着の化学種の同定等に有効である(第7〜11の発明)。パルス幅が500fs以下であっても良い。   When an ultrashort light pulse with a pulse width of 1 ps or less is used, highly sensitive cavity ring-down spectroscopic analysis by homodyne detection is possible even in a cavity with a very short cavity length. Such a system is particularly effective for microanalysis, for example, qualitative and quantitative analysis of thin films, identification of chemical species for surface adsorption, etc. (Inventions 7 to 11). The pulse width may be 500 fs or less.

光パルス列を2系統の光路に分岐し、一方をキャビティに導き、他方を光路長を可変とする可動ミラーを有する光路に導き、当該可変光路長の光路の光パルス列とキャビティによるリングダウン光のパルス列の干渉をホモダイン検波する。可変側の光路長を順次長くし、リングダウン光の光路長と一致するパルスが存在するようにすることで、複数のパルスから、リングダウン光の強度を順に検出することができる。可動ミラーを振動可能として、その上で可動ミラーを移動させれば、「リングダウン光の光路長と一致する」タイミングを多数設けることができ、初期調整が容易で、確実に各リングダウン光をホモダイン検波することが可能となる。   An optical pulse train is branched into two optical paths, one is guided to a cavity, the other is guided to an optical path having a movable mirror whose optical path length is variable, an optical pulse train of the optical path of the variable optical path length, and a pulse train of ring-down light by the cavity The homodyne detection of the interference. By gradually increasing the optical path length on the variable side so that there is a pulse that matches the optical path length of the ring-down light, the intensity of the ring-down light can be sequentially detected from a plurality of pulses. If the movable mirror can be oscillated and the movable mirror is moved on it, a number of timings that "match the optical path length of the ring-down light" can be provided, making initial adjustment easy and ensuring that each ring-down light is reliably transmitted. It becomes possible to perform homodyne detection.

第12の方法発明及び第15の装置発明では、試料に光を導く光ファイバーに光を増幅する増幅素子を設けている。したがって、測定系の損失や試料の損失を補償した状態で試料の吸収率を測定することができる。したがって、精度の高い測定が可能となる。   In the twelfth method invention and the fifteenth device invention, an amplifying element for amplifying the light is provided in the optical fiber that guides the light to the sample. Therefore, the sample absorptance can be measured in a state where the loss of the measurement system and the loss of the sample are compensated. Therefore, highly accurate measurement is possible.

また、第13の方法発明及び第16の装置発明では、光は、ステップ的に減少する光、又は、パルス光としている。したがって、この光のリングダウン光の減衰特性を測定に用いることができる。増幅素子の増幅率を、試料を設置しない時の光のリングダウン光が減衰しない増幅率に設定することにより、測定系の損失を補償し、その補償状態で試料の吸収率を測定しているので、試料の吸収率の測定精度が向上する。すなわち、本発明では、まず、測定系の損失を補償した状態にして、試料のみの吸収から生じるリングダウン光の減衰特性を測定して、その減衰特性から試料の吸収特性を測定するものである。   In the thirteenth method invention and the sixteenth device invention, the light is reduced in a stepwise manner or pulsed light. Therefore, the attenuation characteristic of this ring-down light can be used for measurement. The amplification factor of the amplifying element is set to an amplification factor that does not attenuate the light ring-down light when the sample is not installed, so that the loss of the measurement system is compensated, and the sample absorption rate is measured in the compensated state. Therefore, the measurement accuracy of the sample absorption rate is improved. That is, in the present invention, first, the attenuation characteristic of the ring-down light resulting from the absorption of only the sample is measured with the loss of the measurement system compensated, and the absorption characteristic of the sample is measured from the attenuation characteristic. .

また、第14の方法発明及び第17の装置発明では、試料を設置してリングダウン光を測定し、そのリングダウン光が減衰しないように増幅素子の増幅率を制御し、この増幅率から試料の吸収率を測定することを特徴とする。
すなわち、試料の光吸収により光はリングダウンするが、このリングダウンを生じないように増幅素子の増幅率をフィードバック制御し、この増幅率から試料の吸収係数を測定するものである。したがって、試料と相互作用する光は、常に、一定の振幅となるので、所定の光強度における吸収特性を求めることができる。すなわち、吸収特性の非線形特性を測定することができる。また、光の振幅を一定としていることから、測定値に誤差が少なく、測定精度が向上する。
In the fourteenth method invention and the seventeenth device invention, the sample is set and the ring-down light is measured, and the amplification factor of the amplifying element is controlled so that the ring-down light is not attenuated. It is characterized by measuring the absorption rate.
That is, light is ring-down due to light absorption of the sample, but the amplification factor of the amplifying element is feedback-controlled so as not to cause this ring-down, and the absorption coefficient of the sample is measured from this amplification factor. Therefore, since the light interacting with the sample always has a constant amplitude, the absorption characteristic at a predetermined light intensity can be obtained. That is, the nonlinear characteristic of the absorption characteristic can be measured. In addition, since the light amplitude is constant, there are few errors in the measurement value, and the measurement accuracy is improved.

また、第18に記載の発明は、光は連続光であり、処理装置は、増幅素子の増幅率を光の振幅が所定値となるように制御し、この増幅率又はリングダウン光の減衰光量から試料の吸収特性を測定している。この場合においても、測定系の損失を補償したり、試料の吸収率を光の強度を一定にして測定することが可能となり、測定精度が向上する。   In the eighteenth aspect of the invention, the light is continuous light, and the processing device controls the amplification factor of the amplification element so that the amplitude of the light becomes a predetermined value, and the amplification factor or the attenuation light amount of the ring-down light. The absorption characteristics of the sample are measured. Even in this case, it becomes possible to compensate for the loss of the measurement system and to measure the absorptance of the sample with a constant light intensity, thereby improving the measurement accuracy.

本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第1のグラフ図。The 1st graph for demonstrating the content of the synchronous detection in the Example of this invention. 本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第2のグラフ図。The 2nd graph figure for demonstrating the content of the synchronous detection in the Example of this invention. 本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第3のグラフ図。The 3rd graph for demonstrating the content of the synchronous detection in the Example of this invention. 本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第4のグラフ図。The 4th graph for demonstrating the content of the synchronous detection in the Example of this invention. 本発明の実施例における同期検波の内容を説明するための第5のグラフ図。The 5th graph for demonstrating the content of the synchronous detection in the Example of this invention. 本発明の具体的な一実施例に係るリングダウン分光装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the ring-down spectroscopy apparatus which concerns on one specific Example of this invention. 本発明の具体的な実施例2に係るリングダウン分光装置の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the ringdown spectroscopy apparatus which concerns on the specific Example 2 of this invention. 実施例2の分光装置を用いて、遅延路を3m、30mとして、空気とメタノールの吸収率を測定した時の干渉波形を示す測定図。The measurement figure which shows the interference waveform when the delay path is set to 3 m and 30 m using the spectrometer of Example 2, and the absorption rate of air and methanol is measured. 実施例2の分光装置によりメタノールの吸収率を、濃度変化させて測定した時の吸収率のメタノール濃度に対する特性を示した測定図。The measurement figure which showed the characteristic with respect to the methanol density | concentration of the absorption rate when the absorption rate of methanol was measured by changing the concentration with the spectroscopic device of Example 2. 本発明の具体的な実施例3に係るキャビティリングダウン分光分析装置300の構成を示すブロック図。The block diagram which shows the structure of the cavity ringdown spectroscopy analyzer 300 which concerns on the specific Example 3 of this invention. キャビティ領域に試料を表面に付着させた基板を配置する3つの方法を示す構成図。The block diagram which shows three methods of arrange | positioning the board | substrate with which the sample was adhered to the surface in the cavity area | region. 図6に示す実施例3の装置によって得られたレーザの干渉波形を示す特性図。The characteristic view which shows the interference waveform of the laser obtained by the apparatus of Example 3 shown in FIG. 実施例3の装置において用いられるスーパーコンティニューム光のスペクトルを示した特性図。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a spectrum of supercontinuum light used in the apparatus of Example 3. 実施例3の装置において図9に示すスペクトルを有するスーパーコンティニューム光を用いた場合のレーザの干渉波形を示した特性図。FIG. 10 is a characteristic diagram illustrating a laser interference waveform when supercontinuum light having the spectrum illustrated in FIG. 9 is used in the apparatus according to the third embodiment. 本発明の具体的な実施例4に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus which concerns on the specific Example 4 of this invention. 本発明の具体的な実施例5に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus which concerns on the specific Example 5 of this invention. 実施例5の装置において用いられた半導体光増幅器の電源への注入電流を変化させたときの半導体光増幅器の増幅率を計測した結果を示す特性図。FIG. 10 is a characteristic diagram showing the results of measuring the amplification factor of the semiconductor optical amplifier when the current injected to the power source of the semiconductor optical amplifier used in the apparatus of Example 5 was changed. 実施例5の装置において半導体光増幅器を用いない場合に、長い光遅延光路を用いることのできない理由を説明した特性図。FIG. 10 is a characteristic diagram illustrating the reason why a long optical delay optical path cannot be used when a semiconductor optical amplifier is not used in the apparatus according to the fifth embodiment. 実施例5の装置において半導体光増幅器を挿入して光を増幅することで、光遅延光路長に対する干渉強度が改善されることを示した特性図。FIG. 10 is a characteristic diagram showing that the interference intensity with respect to the optical delay optical path length is improved by inserting a semiconductor optical amplifier and amplifying light in the apparatus of the fifth embodiment. 実施例5の装置において半導体光増幅器を挿入して光を増幅することにより、吸収係数の測定精度を向上させるために使用可能な光遅延光路長が拡大できることを示した説明図。Explanatory drawing which showed that the optical delay optical path length which can be used in order to improve the measurement precision of an absorption coefficient can be expanded by inserting a semiconductor optical amplifier in the apparatus of Example 5, and amplifying light. 本発明の具体的な実施例6に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus which concerns on the specific Example 6 of this invention. 実施例6の装置によって得られたレーザの干渉波形を示す特性図。(a)は試料による吸収がない場合を示し、(b)は試料による吸収が存在する場合を示す。FIG. 10 is a characteristic diagram showing an interference waveform of a laser obtained by the apparatus of Example 6. (A) shows the case where there is no absorption by the sample, and (b) shows the case where absorption by the sample exists. 本発明の具体的な実施例7に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus which concerns on specific Example 7 of this invention. 本発明の具体的な実施例8に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus which concerns on the specific Example 8 of this invention. 本発明の具体的な実施例9に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus concerning the specific Example 9 of this invention. 本発明の具体的な実施例12に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus concerning the specific Example 12 of this invention. 実施例12の装置における動作を説明するためのリングダウンパルス波形を示した波形図。The wave form diagram which showed the ringdown pulse waveform for demonstrating the operation | movement in the apparatus of Example 12. FIG. 強分散特性を有した光ファイバーにおける波長と伝搬遅延時間との関係を示した特性図。The characteristic view which showed the relationship between the wavelength and propagation delay time in the optical fiber which has a strong dispersion characteristic. 本発明の具体的な実施例13に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus concerning the specific Example 13 of this invention. 本発明の具体的な実施例14に係る装置を示した構成図。The block diagram which showed the apparatus concerning the specific Example 14 of this invention.

以下、本発明の具体例を図面を参照しながら説明する。尚、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。まず、本願実施例における同期検波について説明する。   Hereinafter, specific examples of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to a following example. First, synchronous detection in the present embodiment will be described.

実施の形態1
まず、ループ状の光ファイバーにパルス光が循環される。この光ファイバーと試料とが相互作用し、試料による光吸収によりパルス光が順次、減衰し、リングダウンパルス光(パルス列)が得られ、このリングダウンパルス光が外部の処理装置に入力される。ループ状の光ファイバーの光路長をLとおくと、各リングダウンパルス光の光路長の差は、Lとなり、光の速度をcとおけば隣り合うリングダウンパルス光との時間間隔はL/cとなる。即ち、図1.Aに示す通り、処理装置に入力するパルス光は、光ファイバーを循環せずに、直接、入射する透過光S1、S2、S3、S4、…がある。また、処理装置には、透過光S1の時間L/c後には、ループ状の光ファイバーを一巡して光出力される1回リングダウンパルス光L11が、更に、そのパルス光L11の時間L/c後には、光ファイバーを2巡して光出力される2回リングダウンパルス光L12が、順次、入力する。このように、時間L/c間隔でリングダウンパルス光が、光ファイバーから順次、出力されて、処理装置に、順次、入力される。これは透過光S2、S3、S4及びそれらのリングダウンパルス光についても同様であり、光ファイバーの光路長Lとパルス間隔Tpを調整することで、1つの透過光に続くリングダウンパルス光の組が、次の透過光とは重ならないようにすることは容易である。以下、透過光(試料による吸収がないパルス光)とリングダウンパルス光とを信号光と言う。
Embodiment 1
First, pulse light is circulated through a looped optical fiber. The optical fiber and the sample interact with each other, and the pulsed light is sequentially attenuated by light absorption by the sample to obtain ring-down pulsed light (pulse train), which is input to an external processing apparatus. If the optical path length of the loop-shaped optical fiber is L, the difference in optical path length of each ring-down pulse light is L. If the speed of light is c, the time interval between adjacent ring-down pulse lights is L / c. It becomes. That is, FIG. As shown in A, the pulsed light input to the processing apparatus includes transmitted light S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ,... That directly enter without circulating through the optical fiber. In addition, after the time L / c of the transmitted light S 1 , the processing device further receives a one-time ring-down pulsed light L 11 that is optically output through the looped optical fiber, and further the time of the pulsed light L 11 . After L / c, the two-time ring-down pulsed light L 12 that is optically output through two rounds of the optical fiber is sequentially input. As described above, the ring-down pulse light is sequentially output from the optical fiber at time L / c intervals, and is sequentially input to the processing device. The same applies to the transmitted light S 2 , S 3 , S 4 and their ring-down pulse light. By adjusting the optical path length L and the pulse interval T p of the optical fiber, the ring-down pulse following one transmitted light. It is easy to prevent the light set from overlapping the next transmitted light. Hereinafter, transmitted light (pulsed light that is not absorbed by the sample) and ring-down pulsed light are referred to as signal light.

一方、ループ状の光ファイバーとは別の経路である第2光伝送路を、パルス光は伝搬して処理装置に入力する。このパルス光を、以下、参照光(reference )と言う。この参照光を用いて透過光を含むリングダウンパルス光が同期検波される。具体例としては、ホモダイン検波、差動検波など、信号光と参照光との相関に基づく検波方式を用いることができる。今、参照光の伝搬経路の光路長を、透過光の伝搬経路の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と透過光の同期検波は、透過光の振幅と参照光の振幅との積を振幅とするパルスとなる。この時の検波出力をAとおく。次に、参照光の伝搬経路の光路長を1回リングダウン光の伝搬経路の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と信号光の同期検波は、参照光と信号光との積、すなわち、参照光の振幅が信号光の振幅で変調されたパルスとなる。この時の、検波出力はαA(0<α<1)となる。以下同様に、参照光の光路長をn回リングダウンパルス光の光路長と完全に一致させたとすると、検波出力はαnA(0<α<1)となる。 On the other hand, the pulse light propagates through the second optical transmission line, which is a different path from the loop-shaped optical fiber, and enters the processing apparatus. Hereinafter, this pulsed light is referred to as reference light. Using this reference light, ring-down pulse light including transmitted light is synchronously detected. As a specific example, a detection method based on the correlation between signal light and reference light, such as homodyne detection and differential detection, can be used. Assuming that the optical path length of the reference light propagation path is completely matched with the optical path length of the transmitted light propagation path, the synchronous detection of the reference light and the transmitted light is the product of the amplitude of the transmitted light and the amplitude of the reference light. Becomes a pulse having an amplitude of. The detection output at this time is A. Next, assuming that the optical path length of the propagation path of the reference light is exactly the same as the optical path length of the propagation path of the ring-down light once, the synchronous detection of the reference light and the signal light is the product of the reference light and the signal light, That is, a pulse in which the amplitude of the reference light is modulated by the amplitude of the signal light is obtained. At this time, the detection output is αA (0 <α <1). Similarly, assuming that the optical path length of the reference light is completely coincident with the optical path length of the n-down ring light, the detection output is α n A (0 <α <1).

しかし、参照光の伝搬経路の光路長を、透過光及び各回リングダウンパルス光の伝搬経路の光路長に完全に一致させることは必ずしも容易ではない。これはパルス幅の短い信号光を用いることから来る困難性ではある。そこで、参照光の伝搬経路に、その光路長を基準光路長に対して振動的に変化可能とするピエゾチューブスキャナに巻かれた光ファイバーなどのような光伝送路を設ける。すると、ピエゾチューブスキャナの振動により、参照光の隣り合うパルスは異なる光路長を経由することとなり、参照光のパルス間隔は、基準光路長でのパルス間隔に対して、光路長が長くなる方向に変動する過程では、パルス間隔は長くなり、逆に、光路長が短くなる方向に変動する過程では、パルス間隔は短くなる。この時、この光路長の振動振幅aを、光ファイバーの光路長Lよりも短くすると、隣り合うリングダウンパルス光との時間間隔L/cよりも、参照光のパルス間隔の変化によるパルス光の処理装置への入力時刻の変化a/cを小さくすることができる。このようにして、所望のパルス周波数(パルス間隔)を有する信号光を分岐した参照光の伝搬経路の光路長を、基準光路長に対して振動させることで、参照光の光路長を、透過光及び各回リングダウンパルス光の伝搬経路の光路長にほとんど完全に一致させることが容易に達成できる。   However, it is not always easy to completely match the optical path length of the propagation path of the reference light with the optical path length of the propagation path of the transmitted light and each round-down pulse light. This is a difficulty that comes from using signal light with a short pulse width. Therefore, an optical transmission path such as an optical fiber wound around a piezo tube scanner is provided in the propagation path of the reference light so that its optical path length can be changed in terms of vibration with respect to the reference optical path length. Then, due to the vibration of the piezo tube scanner, adjacent pulses of the reference light pass through different optical path lengths, and the pulse interval of the reference light is in a direction in which the optical path length becomes longer than the pulse interval at the standard optical path length. In the process of fluctuation, the pulse interval becomes longer, and conversely, in the process of fluctuation in the direction in which the optical path length becomes shorter, the pulse interval becomes shorter. At this time, if the vibration amplitude a of the optical path length is shorter than the optical path length L of the optical fiber, the processing of the pulsed light due to the change in the pulse interval of the reference light rather than the time interval L / c between the adjacent ring-down pulsed lights. The change a / c in the input time to the apparatus can be reduced. In this way, the optical path length of the reference light propagation path branched from the signal light having a desired pulse frequency (pulse interval) is oscillated with respect to the reference optical path length, so that the optical path length of the reference light is changed to the transmitted light. In addition, it is possible to easily achieve almost perfect matching with the optical path length of the propagation path of each ring-down pulse light.

図1.B以下において、具体的な数値を例示して、本願実施例における2つのパルス列の同期検波について説明する。信号光を、パルスが幅100fs(1×10-13秒)、パルス間隔が2×10-8秒(パルス周波数50MHz)のパルス光とし、参照光が伝搬する第2光伝送路のピエゾチューブスキャナーの振動周波数を80Hzとする。また、第2光伝送路の基準光路長において、参照光の光路長は信号光の光路長と一致するものとする。また、第2光伝送路の振動振幅は、光路長にして±2mm振動するものとする。 FIG. Below B, specific numerical values will be exemplified to describe the synchronous detection of two pulse trains in the present embodiment. A piezo tube scanner for the second optical transmission line through which the reference light propagates with the signal light as pulse light having a pulse width of 100 fs (1 × 10 −13 seconds) and a pulse interval of 2 × 10 −8 seconds (pulse frequency 50 MHz). Is set to 80 Hz. In addition, in the reference optical path length of the second optical transmission path, the optical path length of the reference light matches the optical path length of the signal light. The vibration amplitude of the second optical transmission path is assumed to vibrate ± 2 mm as the optical path length.

光路長xの時間関数は、x=2sin160πt+x0 とおける。x0 は基準光路長である。光路長の変化速度v(mm/秒)は、v=320πcos160πtとなり、単振動の中心付近で考えると、t=0ではv=1000mm/秒である。すると参照光のパルス間隔2×10-8秒の間に、光路長は2×10-8mだけ変化する。これは第2光伝送路を伝搬する参照光のパルス間隔が、6.67×10-17秒長く又は短くなることを意味する。 The time function of the optical path length x is x = 2 sin 160πt + x 0 . x 0 is the reference optical path length. The change speed v (mm / sec) of the optical path length is v = 320πcos 160πt, and when considering near the center of simple vibration, v = 1000 mm / sec at t = 0. Then, the optical path length changes by 2 × 10 −8 m within the reference light pulse interval of 2 × 10 −8 seconds. This means that the pulse interval of the reference light propagating through the second optical transmission line is longer or shorter by 6.67 × 10 −17 seconds.

すると、例えば、処理装置において、信号光と第2光伝送路を通過した参照光とで、第0番目のパルスが図1.Bのように丁度パルス幅の1×10-13秒だけズレており、参照光のパルスの時刻の方が早く、参照光のパルス間隔が信号光のパルス間隔よりも6.67×10-17秒長いとすると、1×10-13秒÷6.67×10-17秒=1500であるので、1500パルス目で参照光のパルスと信号光のパルスが一致し、3000パルス目では信号光と参照光とで、丁度パルス幅の1×10-13秒だけズレ、参照光のパルスの時刻の方が遅くなる。信号光のパルス間隔は2×10-8秒であるので、第0パルスと第3000パルスの時間間隔は6×10-5秒である。なお、この間の光路長の長さの変化は60μmである。 Then, for example, in the processing apparatus, the 0th pulse is generated by the signal light and the reference light that has passed through the second optical transmission line as shown in FIG. Like B, the pulse width is shifted by 1 × 10 −13 seconds, the reference light pulse time is earlier, and the reference light pulse interval is 6.67 × 10 −17 than the signal light pulse interval. If the second is longer, 1 × 10 −13 seconds ÷ 6.67 × 10 −17 seconds = 1500, so the pulse of the reference light coincides with the pulse of the signal light at the 1500th pulse, and the signal light at the 3000th pulse. The reference light is shifted by exactly 1 × 10 −13 seconds of the pulse width, and the time of the reference light pulse is later. Since the pulse interval of the signal light is 2 × 10 −8 seconds, the time interval between the 0th pulse and the 3000th pulse is 6 × 10 −5 seconds. Note that the change in the optical path length during this period is 60 μm.

このような信号光と参照光とを干渉させて同期検波すると、図1.Cのような出力が得られる。図1.Bの状態の3000パルスの間は信号光と参照光とに干渉が生じ、第0パルスで丁度0、第1500パルスで最大、第3000パルスで丁度0となるので、この間は図1.Cの包絡線(点線で示した)の下側に2999本のピークが得られる。この包絡線とその下側の2999本のピークは、6×10-5秒の間存在し、第2光伝送路の光路長が元の長さに戻る0.025秒後までは存在しない。即ち、包絡線とその下側の3000本のピークは、0.025秒間隔で6×10-5秒の間存在し、それ以外の時刻では存在しない。 When such signal light and reference light interfere with each other and perform synchronous detection, FIG. An output such as C is obtained. FIG. Interference occurs between the signal light and the reference light during 3000 pulses in the state B, and is 0 at the 0th pulse, maximum at the 1500th pulse, and exactly 0 at the 3000th pulse. 2999 peaks are obtained below the C envelope (indicated by the dotted line). This envelope and the 2999 peaks below it exist for 6 × 10 −5 seconds and do not exist until 0.025 seconds after the optical path length of the second optical transmission line returns to the original length. That is, the envelope and the 3000 peaks below it exist for 6 × 10 −5 seconds at intervals of 0.025 seconds, and do not exist at other times.

これを「巨視的」に見ると、幅6×10-5秒の極めて鋭いピークが0.0125秒間隔で生じることになる(図1.D)。以上は、パルスの波形が図1.Bのような方形波状でなくても、また、単振動の中心から可なり広い範囲においても同様に言える。
また、図1.Bの第1500パルスと前後のパルスの干渉の差については、例えば1.63μmの波長では1パルスに18.4波存在し、2π/80の位相差と小さい。すると包絡線のピーク付近の複数組の信号光と参照光の干渉は、包絡線のピークの強度に略等しい強度を生じるので、信号光と参照光とで、パルスの位相が完全に一致するように調整する必要もない。また、第2光伝送路を構成する各光伝送路の基準光路長を各リングダウンパルス光の光路長に正確に一致させる必要はなく、両者には、およそ光路長の振動幅(上記例では、±2mm)以下の誤差があっても良い。すなわち、光路長が振動する範囲において、リングダウンパルス光の光路長と参照光の光路長とが一致すれば良い。
When viewed macroscopically, very sharp peaks with a width of 6 × 10 −5 seconds will occur at 0.0125 second intervals (FIG. 1.D). The pulse waveform is as shown in FIG. Even if it is not a square wave like B, it can be said similarly in a considerably wide range from the center of simple vibration.
In addition, FIG. Regarding the difference in interference between the B 1500th pulse and the preceding and following pulses, for example, 18.4 waves exist in one pulse at a wavelength of 1.63 μm, and the phase difference is as small as 2π / 80. Then, interference between a plurality of sets of signal light and reference light in the vicinity of the peak of the envelope produces an intensity substantially equal to the intensity of the peak of the envelope, so that the pulse phases of the signal light and the reference light are completely matched. There is no need to make adjustments. Further, it is not necessary to make the reference optical path length of each optical transmission path constituting the second optical transmission path exactly equal to the optical path length of each ring-down pulse light. , ± 2 mm) or less may be present. That is, it is sufficient that the optical path length of the ring-down pulse light and the optical path length of the reference light coincide with each other in a range where the optical path length vibrates.

したがって、第2光伝送路の第0番目の光伝送路の基準光路長は、図1.Aの透過光S1、S2、S3、S4、…の光路長に対して、光路長の振動振幅分の誤差をもって一致させれば良い。同様に、第2光伝送路の第1番目の光伝送路の基準光路長は、図1.Aの1回リングダウンパルス光L11、L21、L31、L41、…の光路長に対して、光路長の振動振幅分の誤差をもって一致させれば良い。同様に、第2光伝送路の第2番目の光伝送路の基準光路長は、図1.Aの2回リングダウンパルス光L12、L22、L32、L42、…の光路長に対して、光路長の振動振幅分の誤差をもって一致させれば良い。同様に、第2光伝送路の第n番目の光伝送路の基準光路長は、図1.Aのn回リングダウン光L1n、L2n、L3n、L4n、…の光路長に対して、光路長の振動振幅分の誤差をもって一致させれば良い。このように第2光伝送路を構成する各光伝送路の光路長を設計すると、図1.Eのように、透過光と第0番目の光伝送路を伝搬した参照光との同期検波、1回リングダウンパルス光と第1番目の光伝送路を伝搬した参照光との同期検波、2回リングダウンパルス光と第2番目の光伝送路を伝搬した参照光との同期検波、…、n回リングダウンパルス光との第n番目の光伝送路を伝搬した参照光との同期検波は、それぞれ、複数個の幅6×10-5秒の極めて鋭いパルス群となる。 Therefore, the reference optical path length of the 0th optical transmission line of the second optical transmission line is as shown in FIG. The optical path length of the transmitted light S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ,... Of A may be matched with an error corresponding to the vibration amplitude of the optical path length. Similarly, the reference optical path length of the first optical transmission line of the second optical transmission line is as shown in FIG. The optical path length of the one-time ring-down pulsed light L 11 , L 21 , L 31 , L 41 ,... Similarly, the reference optical path length of the second optical transmission line of the second optical transmission line is as shown in FIG. The optical path lengths of the two ring-down pulse lights L 12 , L 22 , L 32 , L 42 ,... Similarly, the reference optical path length of the nth optical transmission line of the second optical transmission line is as shown in FIG. The optical path lengths of the n ring-down lights L 1n , L 2n , L 3n , L 4n ,... Of A may be matched with an error corresponding to the vibration amplitude of the optical path length. Thus, when the optical path length of each optical transmission line constituting the second optical transmission line is designed, FIG. As in E, synchronous detection between the transmitted light and the reference light propagated through the 0th optical transmission line, synchronous detection between the one-time ring-down pulse light and the reference light propagated through the first optical transmission line, Synchronous detection of the ring-down pulse light and the reference light propagated through the second optical transmission line, ..., synchronous detection of the reference light propagated through the n-th optical transmission line of the n-time ring-down pulse light and Each of these becomes a group of extremely sharp pulses having a width of 6 × 10 −5 seconds.

図2は本発明の具体的な一実施例に係るループ状の長さ150m位の光ファイバーを用いたリングダウン分光装置100の構成を示すブロック図である。分光装置100は、波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源1、1/2波長板2、球レンズ3a、光ファイバから成る第1光伝送路4を有している。この第1光伝送路4は、光切換スイッチ5を介して、ループ状の光ファイバー6と結合している。ループ状の光ファイバー6には、光ファイバー6を伝搬するパルス光と相互作用をする試料10が結合している。また、この光ファイバー6には、試料10の光吸収によるリングダウンパルス光の減衰定数を適性にするために、光増幅器7が設けられている。この光増幅器7は、なくとも良いが、これを用いて、リングダウンパルス光を適性に増幅することで、精度及び感度の高い試料の光吸収特性を測定することが可能となる。第1光伝送路4はファイバーカップラ30を介して、ホモダイン検波器40に接続されている。ホモダイン検波器40の出力する同期検波信号(図1.E)は、デジタル処理装置50によりA/D変換されて、リングダウンパルス光の減衰定数が演算されて、試料の吸収特性が測定される。   FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a ring-down spectroscopic device 100 using a loop-shaped optical fiber having a length of about 150 m according to a specific embodiment of the present invention. The spectroscopic device 100 includes a first optical transmission line 4 including a wavelength-tunable femtosecond soliton pulse light source 1, a half-wave plate 2, a spherical lens 3a, and an optical fiber. The first optical transmission line 4 is coupled to a loop-shaped optical fiber 6 via an optical switch 5. A sample 10 that interacts with pulsed light propagating through the optical fiber 6 is coupled to the loop-shaped optical fiber 6. The optical fiber 6 is provided with an optical amplifier 7 in order to make the attenuation constant of the ring-down pulse light due to light absorption of the sample 10 appropriate. The optical amplifier 7 may be omitted, but by using this to appropriately amplify the ring-down pulse light, it is possible to measure the light absorption characteristics of the sample with high accuracy and sensitivity. The first optical transmission line 4 is connected to the homodyne detector 40 via the fiber coupler 30. The synchronous detection signal (FIG. 1.E) output from the homodyne detector 40 is A / D converted by the digital processor 50, the attenuation constant of the ring-down pulse light is calculated, and the absorption characteristic of the sample is measured. .

一方、第1光伝送路4には、光方向性結合器8が設けられており、その分岐端子には、第1光スイッチ素子12が接続されている。第1光スイッチ素子12は、第1光伝送路4から分岐されるパルス光をn+1本の基準光路長が異なる光伝送路に選択的に分岐させる素子である。n+1本のピエゾチューブスキャナー15に巻かれた光ファイバーから成る光伝送路200,201,202,…,20nが設けられており、これらは電気信号によるピエゾ効果により実効的に光路長が変化する伝送路である。具体的には、振幅を2mmとした。これらのn+1本の光伝送路の集合が第2光伝送路20である。これらの第2光伝送路20のそれぞれは、第2光スイッチ素子13を介してファイバーカップラー30に入力している。   On the other hand, the first optical transmission line 4 is provided with an optical directional coupler 8, and a first optical switch element 12 is connected to the branch terminal. The first optical switch element 12 is an element that selectively branches the pulse light branched from the first optical transmission path 4 to n + 1 optical transmission paths having different reference optical path lengths. Optical transmission lines 200, 201, 202,..., 20n are provided which are made of optical fibers wound around n + 1 piezo tube scanners 15. These transmission lines have an optical path length that effectively changes due to the piezoelectric effect of electrical signals. It is. Specifically, the amplitude was set to 2 mm. A set of these n + 1 optical transmission lines is the second optical transmission line 20. Each of these second optical transmission lines 20 is input to the fiber coupler 30 via the second optical switch element 13.

波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源1としては、Erドープファイバを用いたフェムト秒パルスレーザを使用する。パルス幅は10〜500fsが好ましい。本実施例ではパルス幅を100fs、パルス間隔を20ns(パルス周波数50MHz)とした。また、波長としては1630nmの光ソリトンを用いた。もちろん1ps程度のパルス光であっても良い。   As the wavelength-tunable femtosecond soliton pulse light source 1, a femtosecond pulse laser using an Er-doped fiber is used. The pulse width is preferably 10 to 500 fs. In this embodiment, the pulse width is 100 fs and the pulse interval is 20 ns (pulse frequency 50 MHz). Further, an optical soliton having a wavelength of 1630 nm was used. Of course, it may be pulsed light of about 1 ps.

光伝送路200,201,…,20nの各基準光路長は、光方向性結合器8とファイバーカップラー30間の第1光伝送路4の実効的な光路長L1 +L2 とし、光ファイバー6の一周の長さをLすると、L1 +L2 +nL(n=0,1,2…)に設定されている。すなわち、隣接する伝送路の基準光路長は、光ファイバー6の一周の長さLだけ異なっている。 The reference optical path lengths of the optical transmission paths 200, 201,..., 20n are effective optical path lengths L 1 + L 2 of the first optical transmission path 4 between the optical directional coupler 8 and the fiber coupler 30, and When the length of one round is L, it is set to L 1 + L 2 + nL (n = 0, 1, 2,...). That is, the reference optical path lengths of adjacent transmission paths differ by the length L of one round of the optical fiber 6.

以上説明した図2の構成で、透過光の検波する場合に、第1光スイッチ素子12と第2光スイッチ素子13と切換制御して、第0番目の光伝送路200を選択する。1回リングダウンパルス光を同期検波する場合には、第1番目の光伝送路201を選択する。同様に、n回リングダウンパルス光を同期検波する場合には、第n番目の光伝送路20nを選択する。このように各光伝送路を切換制御して、且つ、各光伝送路の光路長を実効的に振動させることで、図1.Eのような同期検波波形を得ることができる。そして、その同期検波波形から各組の強度比を算出する。そして、各リングダウン回数に対する振幅の減衰特性から減衰定数が測定される。本実施例はホモダイン検波と同様の原理により高感度検出することが可能である。実際、ATR法に比して500倍の感度(最低検出量が1/500)を得ることができた。   In the configuration of FIG. 2 described above, when the transmitted light is detected, the first optical switch element 12 and the second optical switch element 13 are switched and the 0th optical transmission line 200 is selected. When synchronously detecting the ring-down pulse light once, the first optical transmission line 201 is selected. Similarly, in the case where n-time ring-down pulse light is synchronously detected, the nth optical transmission line 20n is selected. In this way, by switching and controlling each optical transmission line and effectively vibrating the optical path length of each optical transmission line, FIG. A synchronous detection waveform such as E can be obtained. Then, the intensity ratio of each set is calculated from the synchronous detection waveform. Then, the attenuation constant is measured from the amplitude attenuation characteristic with respect to each number of ringdowns. In the present embodiment, high sensitivity detection can be performed based on the same principle as that of homodyne detection. In fact, it was possible to obtain 500 times the sensitivity (minimum detection amount 1/500) as compared with the ATR method.

〔変形例〕
上記実施例では、第1光伝送路4を光ファイバー6へのパルス光の入射用の伝送路と、光ファイバー6からリングダウンパルス光を取り出す出力用の伝送路と共用させている。しかし、出力用の光伝送路を別に設けて、光ファイバー6の光切換スイッチ5との位置とは別の位置で光方向性結合器を介して、この出力用の光伝送路に、リングダウンパルス光を出力させるようにしても良い。この出力用の光伝送路と、第2光伝送路20は、共に、ホモダイン検波器40に入力するが、このホモダイン検波器40までのリングダウンパルス光の光路長と、第2光伝送路20を伝搬する参照光の光路長とが上記した関係になるように設定すれば良い。
[Modification]
In the above-described embodiment, the first optical transmission line 4 is shared with the transmission line for incident pulsed light to the optical fiber 6 and the output transmission line for extracting the ring-down pulsed light from the optical fiber 6. However, a separate output optical transmission line is provided, and a ring-down pulse is connected to the output optical transmission line via an optical directional coupler at a position different from the position of the optical switch 6 of the optical fiber 6. Light may be output. Both the optical transmission path for output and the second optical transmission path 20 are input to the homodyne detector 40. The optical path length of the ring-down pulse light to the homodyne detector 40 and the second optical transmission path 20 The optical path length of the reference light propagating through the light beam may be set so as to have the above relationship.

上記実施例では、光ファイバー6をループ状に構成しているが、これを直線又は曲線にしても良い。すなわち、直線状の光ファイバーを光切換スイッチ5により第1光伝送路4と結合させる。そして、光ファイバーの両端を鏡面として、光を反射させるようにする。このようにしても、ループでない直線状や曲線状の光ファイバーを往復進行するリングダウンパルス光を外部に出力して、そのパルス光の光路長と、光路長が実効的に等しい第2光伝送路を伝搬する参照光との間で、同期検波するようにしても良い。
原理は、上記と同様である。
In the above embodiment, the optical fiber 6 is configured in a loop shape, but it may be a straight line or a curved line. That is, a linear optical fiber is coupled to the first optical transmission line 4 by the optical switch 5. Then, both ends of the optical fiber are used as mirror surfaces to reflect light. Even in this case, a ring-down pulse light traveling back and forth through a linear or curved optical fiber that is not a loop is output to the outside, and the optical path length of the pulse light is effectively equal to the second optical transmission path. Synchronous detection may be performed with reference light propagating through.
The principle is the same as above.

また、本発明では、光ファイバー6の長さを長くすることで、パルス光のパルス幅をそれほど狭くすることはない。
本発明を適用する光源としては、スーパーコンティニュアム光源を用いても良い。スーパーコンティニューム光源から特定波長の情報を得るには、各干渉波形(パルス)を高速フーリエ変換し、各パルスの特定波長の強度を求め、それらの減衰時定数から求めればよい。
In the present invention, the pulse width of the pulsed light is not reduced so much by increasing the length of the optical fiber 6.
As a light source to which the present invention is applied, a supercontinuum light source may be used. In order to obtain information on a specific wavelength from the supercontinuum light source, each interference waveform (pulse) may be subjected to fast Fourier transform, the intensity of the specific wavelength of each pulse is obtained, and the attenuation time constant may be obtained.

実施例2の装置を図3に示す。実施例1の装置を示す図2における素子と同一機能を有する素子には、同一符号を付した。波長1.55μm のfsレーザ光源1を用い、図2の光ファイバー6に相当するループ状の光ファイバ(キャビティに相当)の長さを3mとした。fsレーザ光源1からのレーザは、光方向性結合器8により第1光伝送路4と光ファイバ遅延線路210−213側へとに分岐される。光ファイバ遅延線路側に分岐されたレーザは光方向性結合器54を介して微小幅だけ変位する駆動ミラー53に入力し、そのミラー53で反射したレーザが光方向性結合器54を介して、光ファイバ遅延線路210−213に入射する。駆動ミラー53は、実施例1のピエゾチューブスキャナー15と同一機能を有しており、レーザの光路長を微小幅で振動させる。光ファイバ遅延線路210−213は、それぞれ、3、30,60、180mの光路長を持つファイバから構成されている。光スイッチ12、13で切り替えて、任意の一つの光ファイバ遅延線路が選択されるようになっている。光ファイバ遅延線路210〜213を伝搬したレーザと、光ファイバ6から出力されるリングダウン光との干渉波形は、バランス型ホモダイン検波器40で検出される。図2ではループ状の光ファイバ6への結合に光スイッチ5を用いていたが、本実施例では、可変レシオカプラ51を用いた。試料測定用のヘッド部52には光ファイバコア近くまで研磨して作製した物を用いた。このヘッド52は光ファイバ6内を伝搬する光のエバネッセント波又は近接場光と試料とが相互作用することで、試料の吸収測定を可能とする。   The apparatus of Example 2 is shown in FIG. Elements having the same functions as those in FIG. 2 showing the apparatus of Example 1 are given the same reference numerals. The fs laser light source 1 having a wavelength of 1.55 μm was used, and the length of the loop-shaped optical fiber (corresponding to the cavity) corresponding to the optical fiber 6 of FIG. 2 was 3 m. The laser from the fs laser light source 1 is branched by the optical directional coupler 8 into the first optical transmission line 4 and the optical fiber delay line 210-213 side. The laser branched to the optical fiber delay line side is input to the drive mirror 53 that is displaced by a minute width via the optical directional coupler 54, and the laser reflected by the mirror 53 passes through the optical directional coupler 54. The light enters the optical fiber delay line 210-213. The drive mirror 53 has the same function as the piezo tube scanner 15 of the first embodiment, and vibrates the optical path length of the laser with a minute width. The optical fiber delay lines 210-213 are made of fibers having optical path lengths of 3, 30, 60, and 180 m, respectively. The optical switches 12 and 13 are switched to select any one optical fiber delay line. The interference waveform between the laser propagated through the optical fiber delay lines 210 to 213 and the ring-down light output from the optical fiber 6 is detected by the balanced homodyne detector 40. Although the optical switch 5 is used for coupling to the loop-shaped optical fiber 6 in FIG. 2, a variable ratio coupler 51 is used in this embodiment. For the sample measurement head portion 52, a product prepared by polishing to near the optical fiber core was used. The head 52 makes it possible to measure the absorption of the sample by the interaction between the evanescent wave of the light propagating in the optical fiber 6 or the near-field light and the sample.

図4に3m の光ファイバ遅延線路と30m の光ファイバ遅延線路における干渉波形を示す。試料には純水とメタノールを用いた。3m、30mでもメタノールの方が干渉強度が低くなり、純水より大きな吸収があることが分かる。光ファイバ遅延線路を30mとして、メタノール濃度を変化させて干渉強度をから導出された吸収率の変化を図5に示す。試料のメタノールはヘッド部52に10μL 滴下して測定した。ここで用いたヘッド部52の実効光路長は約1mm であったので計算からはメタノールのような吸収係数が2cm-1(波長1.55μmにおいて)と比較的大きい試料の場合、2fL の極微量の試料で十分な測定が可能であることが分かる。 FIG. 4 shows interference waveforms in a 3 m optical fiber delay line and a 30 m optical fiber delay line. Pure water and methanol were used as samples. It can be seen that even at 3 m and 30 m, methanol has a lower interference intensity and absorbs more than pure water. FIG. 5 shows the change in the absorptance derived from the interference intensity by changing the methanol concentration with the optical fiber delay line as 30 m. The sample methanol was measured by dropping 10 μL of the methanol onto the head part 52. Since the effective optical path length of the head unit 52 used here was about 1 mm, it was calculated that the absorption coefficient such as methanol was 2 cm −1 (at a wavelength of 1.55 μm) and the sample was a very small amount of 2 fL. It can be seen that sufficient measurement is possible with the sample.

また、メタノールは吸収係数が比較的大きいため、キャビティに相当する光ファイバの10倍の光路長である30mの光ファイバ遅延線路でも大きな吸収係数が測定できた。メタノールの場合、計算からは約2kmの光ファイバ遅延線路で3ppm、2fL のエタノールの測定が可能となる。   Moreover, since methanol has a relatively large absorption coefficient, a large absorption coefficient could be measured even with a 30 m optical fiber delay line having an optical path length 10 times that of the optical fiber corresponding to the cavity. In the case of methanol, 3 ppm, 2 fL of ethanol can be measured with an optical fiber delay line of about 2 km from the calculation.

さらに吸収係数が小さな試料の場合も大きな吸光度が観測されないため、感度を上げるためにさらに長い光ファイバ遅延線路での測定が必要となる。
このような測定を光路長が異なる光ファイバ遅延線路を切り替えて測定することにより、濃度の高い試料から非常に濃度の小さい試料まで測定が可能となり、波長可変ソリトンパルス光源を用いれば吸収係数の測定が約1 μmから約2 μmの波長範囲にわたって測定が可能となる。
Furthermore, since a large absorbance is not observed even in the case of a sample having a small absorption coefficient, it is necessary to perform measurement with a longer optical fiber delay line in order to increase sensitivity.
By switching such optical fiber delay lines with different optical path lengths, it is possible to measure from a high concentration sample to a very low concentration sample. If a wavelength tunable soliton pulse light source is used, the absorption coefficient can be measured. Can be measured over a wavelength range of about 1 μm to about 2 μm.

実施の形態2
キャビティを形成する2つのミラー間の光路をLとおくと、パルス状の各リングダウン光は光路長の差が2Lとなり、光の速度をcとおけば隣り合うリングダウン光との時間間隔は2L/cである。即ち、図1.Aに示す通り、キャビティから出力される光パルスは、ミラー間で反射されない透過光S1、S2、S3、S4、…がある。また、透過光S1の時間2L/c後には、2つのミラーで1度ずつ反射されて光出力される1回リングダウン光L11が、更にその時間2L/c後には、2つのミラーで2度ずつ反射されて光出力される2回リングダウン光L12が、と順に、時間2L/c間隔でリングダウン光が出力される。これは透過光S2、S3、S4についても同様であり、2つのミラー間の光路Lとパルス間隔Tpを調整することで、1つの透過光に続くリングダウン光の組が、次の透過光とは重ならないようにすることは容易である。
Embodiment 2
If the optical path between the two mirrors forming the cavity is L, the difference between the optical path lengths of each pulsed ring-down light is 2L, and if the speed of light is c, the time interval between adjacent ring-down lights is 2 L / c. That is, FIG. As shown in A, the light pulse output from the cavity includes transmitted light S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ,... That are not reflected between the mirrors. Further, after 2 L / c of the transmitted light S 1, the one-time ring-down light L 11 that is reflected and output once by the two mirrors is further reflected by the two mirrors after the time 2 L / c. The ring-down light L 12 that is reflected twice and output as light is output in sequence at a time interval of 2 L / c. The same applies to the transmitted light S 2 , S 3 , and S 4. By adjusting the optical path L and the pulse interval T p between the two mirrors, a set of ring-down light that follows one transmitted light becomes the next. It is easy to avoid overlapping with the transmitted light.

一方、別経路を経由して参照光(reference)が、信号光であるリングダウン光の組を従えた透過光のパルスとホモダイン検波される。今、参照光の光路長を透過光の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と信号光のホモダイン検波は、参照光のパルスと同一となる。この時の検波出力をAとおく。次に、参照光の光路長を1回リングダウン光の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と信号光のホモダイン検波は、また参照光のパルスと同一となる。この時の、検波出力はαA(0<α<1)となる。以下同様に、参照光の光路長をn回リングダウン光の光路長と完全に一致させたとすると、参照光と信号光のホモダイン検波は、また参照光のパルスと同一となって、検波出力はαnA(0<α<1)となる。 On the other hand, the reference light (reference) is detected through a separate path and homodyne detection with a pulse of transmitted light that follows a set of ring-down light that is signal light. Assuming that the optical path length of the reference light is completely matched with the optical path length of the transmitted light, the homodyne detection of the reference light and the signal light is the same as the reference light pulse. The detection output at this time is A. Next, assuming that the optical path length of the reference light is completely matched with the optical path length of the ring-down light once, the homodyne detection of the reference light and the signal light is also the same as the pulse of the reference light. At this time, the detection output is αA (0 <α <1). Similarly, assuming that the optical path length of the reference light is completely matched with the optical path length of the n-down ring-down light, the homodyne detection of the reference light and the signal light is also the same as the pulse of the reference light, and the detection output is α n A (0 <α <1).

しかし、参照光の光路長を、透過光、各回リングダウン光の光路長に完全に一致させることは必ずしも容易ではない。これはパルス幅の短い信号光を用いることから来る困難性ではある。そこで、参照光の光路に振動可能な可動ミラーを設ける。すると、可動ミラーの振動により、参照光の隣り合うパルスは異なる光路長を経由することとなり、ミラーにより反射された参照光のパルス間隔は、反射前よりも長く又は短くなる。この時、この可動ミラーの振幅aを、キャビティを形成する2つのミラー間の光路Lよりも短くすると、隣り合うリングダウン光との時間間隔2L/cよりも、参照光のパルス間隔の変化によるパルスの時刻の変化2a/cを小さくすることができる。こうして、所望のパルス周波数(パルス間隔)を有する信号光を分岐した参照光の光路長を、振動可能な可動ミラーにより振動させることで、参照光の光路長を、透過光、各回リングダウン光の光路長にほとんど完全に一致させることが容易に達成できる。   However, it is not always easy to make the optical path length of the reference light completely coincide with the optical path length of the transmitted light and each ring-down light. This is a difficulty that comes from using signal light with a short pulse width. Therefore, a movable mirror that can vibrate is provided in the optical path of the reference light. Then, due to the vibration of the movable mirror, adjacent pulses of the reference light pass through different optical path lengths, and the pulse interval of the reference light reflected by the mirror becomes longer or shorter than before reflection. At this time, if the amplitude a of the movable mirror is made shorter than the optical path L between the two mirrors forming the cavity, the time interval 2L / c between the adjacent ring-down lights is caused by a change in the pulse interval of the reference light. The change 2a / c in the pulse time can be reduced. In this way, the optical path length of the reference light obtained by branching the signal light having a desired pulse frequency (pulse interval) is vibrated by a movable mirror that can be oscillated, so that the optical path length of the reference light is changed between the transmitted light and the ring-down light each time It can easily be achieved to match the optical path length almost perfectly.

本実施の形態においても、原理は実施の形態1で示したのと同様に、図1.B以下において、具体的な数値を例示して、本願実施例における2つのパルス列の干渉について説明する。信号光を、パルスが幅100fs(1×10-13秒)、パルス間隔が2×10-8秒(パルス周波数50MHz)とし、参照光の途中に置いた振動可能なミラーの振動周波数を20Hzとおく。また、当該ミラーの振動中心において、参照光の光路長は信号光の光路長と一致するものとする。またミラーはその位置から±4mm振動するものとする。 In this embodiment, the principle is the same as that shown in the first embodiment, as shown in FIG. In the following description, interference between two pulse trains in the embodiment of the present application will be described by exemplifying specific numerical values. The signal light has a pulse width of 100 fs (1 × 10 −13 seconds), a pulse interval of 2 × 10 −8 seconds (pulse frequency 50 MHz), and the vibration frequency of the oscillating mirror placed in the middle of the reference light is 20 Hz. deep. Further, it is assumed that the optical path length of the reference light coincides with the optical path length of the signal light at the vibration center of the mirror. In addition, the mirror vibrates ± 4 mm from the position.

ミラーの位置を振動中心を時刻t秒においてとしてx(mm)とし、t=0でx=0とすると、x=4sin40πtとおける。ミラーの速度v(mm/秒)は、v=160πcos40πtとなり、t=0でv=500mm/秒。するとパルス間隔が2×10-8秒の参照光の2つのパルスが到達する間にミラーは1×10-8m移動するので、光路差は2×10-8mとなる。これはミラーで反射された参照光のパルス間隔が、反射前に比べて6.67×10-17秒長く又は短くなることを意味する。 Assuming that the position of the mirror is x (mm) with the vibration center at time t seconds, and t = 0 and x = 0, x = 4 sin 40πt. The mirror speed v (mm / sec) is v = 160πcos 40πt, where t = 0 and v = 500 mm / sec. Then, since the mirror moves 1 × 10 −8 m while two pulses of the reference light having a pulse interval of 2 × 10 −8 seconds arrive, the optical path difference becomes 2 × 10 −8 m. This means that the pulse interval of the reference light reflected by the mirror is longer or shorter by 6.67 × 10 −17 seconds than before reflection.

すると、例えば、信号光と反射後の参照光とで、第0番目のパルスが図1.Bのように丁度パルス幅の1×10-13秒だけズレており、反射後の参照光側のパルスの時刻の方が早く、反射後の参照光側のパルス間隔が信号光のパルス間隔よりも6.67×10-17秒長いとすると、1×10-13秒÷6.67×10-17秒=1500であるので、1500パルス目で反射後の参照光側のパルスと信号光のパルスが一致し、3000パルス目では信号光と反射後の参照光とで、丁度パルス幅の1×10-13秒だけズレ、反射後の参照光側のパルスの時刻の方が遅くなる。信号光のパルス間隔は2×10-8秒であるので、第0パルスと第3000パルスの時間間隔は6×10-5秒である。 Then, for example, in the signal light and the reflected reference light, the 0th pulse is changed to FIG. Like B, the pulse width is shifted by 1 × 10 −13 seconds, the time of the pulse on the reference light side after reflection is earlier, and the pulse interval on the reference light side after reflection is longer than the pulse interval of the signal light If 6.67 × 10 −17 seconds is longer, 1 × 10 −13 seconds ÷ 6.67 × 10 −17 seconds = 1500, so the reference light side pulse and signal light reflected after the 1500th pulse are reflected. The pulses coincide, and at the 3000th pulse, the signal light and the reference light after reflection are shifted by exactly 1 × 10 −13 seconds of the pulse width, and the time of the pulse on the reference light side after reflection is delayed. Since the pulse interval of the signal light is 2 × 10 −8 seconds, the time interval between the 0th pulse and the 3000th pulse is 6 × 10 −5 seconds.

このような信号光と反射後の参照光とを干渉させてホモダイン検波すると、図1.Cのような出力が得られる。図1.Bの状態の3000パルスの間は信号光と反射後の参照光とに干渉が生じ、第0パルスで丁度0、第1500パルスで最大、第3000パルスで丁度0なので、この間は図1.Cの包絡線(点線で示した)の下側に2999本のピークが得られる。この包絡線とその下側の2999本のピークは、6×10-5秒の間存在し、ミラーが元の位置に戻る0.05秒後までは存在しない。即ち、包絡線とその下側の3000本のピークは、0.05秒間隔で6×10-5秒の間存在し、それ以外の時刻では存在しない。 When such signal light and reflected reference light interfere with each other and homodyne detection is performed, FIG. An output such as C is obtained. FIG. Interference occurs between the signal light and the reflected reference light during the 3000 pulses in the state B. The 0th pulse is just 0, the 1500th pulse is the maximum, and the 3000th pulse is just 0. 2999 peaks are obtained below the C envelope (indicated by the dotted line). This envelope and the 2999 peaks below it exist for 6 × 10 −5 seconds and do not exist until 0.05 seconds after the mirror returns to its original position. That is, the envelope and 3000 peaks below it exist for 6 × 10 −5 seconds at 0.05 second intervals, and do not exist at other times.

これを「巨視的」に見ると、幅6×10-5秒の極めて鋭いピークが0.05秒間隔で生じることになる(図1.D)。以上は、パルスの波形が図1.Bのような方形波状でなくても当然に同様に生じる。また、図1.Bの第1500パルスと前後のパルスの干渉の差については、例えば1.63μmの波長では1パルスに18.4波存在し、2π/80の位相差と小さい。すると包絡線のピーク付近の複数組の信号光と反射後の参照光の干渉は、包絡線のピークの強度に略等しい強度を生じるので、信号光と参照光の反射光とで、パルスの位相が完全に一致するように調整する必要もない。また、ミラーの振動中心の位置についても、そこで反射される参照光の光路長が、信号光の光路長と完全に一致するよう調整する必要もない。即ち、ミラーの振動する範囲に、反射される参照光の光路長として、信号光の光路長と完全に一致する位置があれば良い。よって、ミラーの振動周波数及び振幅に対し、十分高いパルス周波数のパルス列を参照光の経路に導くことで、信号光とのホモダイン検波を容易に行うことができる。 When viewed macroscopically, very sharp peaks with a width of 6 × 10 −5 seconds will occur at 0.05 second intervals (FIG. 1.D). The pulse waveform is as shown in FIG. Of course, it does not have a square wave shape like B. In addition, FIG. Regarding the difference in interference between the B 1500th pulse and the preceding and following pulses, for example, 18.4 waves exist in one pulse at a wavelength of 1.63 μm, and the phase difference is as small as 2π / 80. Then, interference between a plurality of sets of signal light near the peak of the envelope and the reference light after reflection produces an intensity substantially equal to the intensity of the peak of the envelope, so the phase of the pulse between the signal light and the reflected light of the reference light There is no need to adjust so that they are perfectly matched. Further, the position of the vibration center of the mirror does not need to be adjusted so that the optical path length of the reference light reflected there completely coincides with the optical path length of the signal light. That is, it is only necessary that the optical path length of the reflected reference light has a position that completely matches the optical path length of the signal light in the range in which the mirror vibrates. Therefore, homodyne detection with the signal light can be easily performed by guiding a pulse train having a sufficiently high pulse frequency with respect to the vibration frequency and amplitude of the mirror to the reference light path.

このように、光路長がほとんど一致していれば良いのであるから、振動するミラーを光路の方向に移動させても、「振動中に光路長が一致」する箇所が複数箇所存在しさえすればホモダイン検波が容易にできる。すると、振動するミラーの振動中心が、図1.Aの透過光S1、S2、S3、S4、…の光路長に参照光の光路長が一致する位置、図1.Aの1回リングダウン光L11、L21、L31、L41、…の光路長に参照光の光路長が一致する位置、図1.Aの2回リングダウン光L12、L22、L32、L42、…の光路長に参照光の光路長が一致する位置、…、図1.Aのn回リングダウン光L1n、L2n、L3n、L4n、…の光路長に参照光の光路長が一致する位置、と移動させるならば、図1.Eのように、透過光との干渉、1回リングダウン光との干渉、2回リングダウン光との干渉、…、n回リングダウン光との干渉を、各々複数個の幅6×10-5秒の極めて鋭いピークとして検出することができる。 In this way, since it is sufficient that the optical path lengths are almost the same, even if the vibrating mirror is moved in the direction of the optical path, there are only a plurality of places where the optical path lengths coincide with each other during vibration. Homodyne detection can be easily performed. Then, the vibration center of the vibrating mirror is shown in FIG. A position where the optical path length of the reference light matches the optical path length of the transmitted light S 1 , S 2 , S 3 , S 4 ,. A position where the optical path length of the reference light coincides with the optical path length of the one-time ring-down light L 11 , L 21 , L 31 , L 41 ,. A position where the optical path length of the reference light coincides with the optical path length of the two ring-down lights L 12 , L 22 , L 32 , L 42 ,. If it is moved to the position where the optical path length of the reference light coincides with the optical path length of the n ring-down lights L 1n , L 2n , L 3n , L 4n,. Like E, interference with transmitted light, interference with ring-down light once, interference with ring-down light twice, interference with ring-down light n times, each having a plurality of widths 6 × 10 It can be detected as a very sharp peak of 5 seconds.

図6は本発明の具体的な一実施例に係るキャビティリングダウン分光分析装置300の構成を示すブロック図である。キャビティリングダウン分光分析装置300は、波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源301、1/2波長板302、球レンズ303a、偏波保持ファイバ304、球レンズ303b、ビームスプリッタ(光分岐手段)305、偏光ビームスプリッタ306、1/4波長板307、位置を可変とすると共に振動させるガルバノミラー308を有する。シグナル光(信号光)は、波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源301、1/2波長板302、球レンズ303a、偏波保持ファイバ304及び球レンズ303bを経て、ビームスプリッタ305からキャビティを形成する高反射ミラー311及び312に導かれ、リングダウン光が両凸レンズ321に至る。同時に、リファレンス光(参照光)は、同様にビームスプリッタ305に達した後、偏光ビームスプリッタ306及び1/4波長板307を経て、位置を可変とすると共に振動可能なガルバノミラー308にて反射されて、1/4波長板を経て偏光ビームスプリッタ306から両凸レンズ322に至る。両凸レンズ321に至ったシグナル光は光ファイバ331を介し、両凸レンズ321に至ったレファレンス光は光ファイバ332を介し、いずれもファイバカプラ330に導かれ、光ファイバ331’及び332’を介してバランス型検出器340(ホモダイン検波手段)に導かれる。バランス型検出器340の出力する電気信号をA/D変換及びデジタル処理装置350にて解析する。   FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a cavity ring-down spectroscopic analyzer 300 according to a specific embodiment of the present invention. The cavity ring-down spectroscopic analysis apparatus 300 includes a tunable femtosecond soliton pulse light source 301, a half-wave plate 302, a spherical lens 303a, a polarization maintaining fiber 304, a spherical lens 303b, a beam splitter (light branching means) 305, a polarized beam. A splitter 306, a quarter-wave plate 307, and a galvanometer mirror 308 that changes the position and vibrates are provided. The signal light (signal light) passes through the wavelength-variable femtosecond soliton pulse light source 301, the half-wave plate 302, the spherical lens 303a, the polarization maintaining fiber 304, and the spherical lens 303b, and forms a cavity from the beam splitter 305. The light is guided to the mirrors 311 and 312, and the ring-down light reaches the biconvex lens 321. At the same time, the reference light (reference light) reaches the beam splitter 305 in the same manner, and then passes through the polarizing beam splitter 306 and the quarter wavelength plate 307 and is reflected by a galvano mirror 308 that can change its position and can vibrate. Thus, the light reaches the biconvex lens 322 from the polarization beam splitter 306 via a quarter-wave plate. The signal light that reaches the biconvex lens 321 passes through the optical fiber 331, and the reference light that reaches the biconvex lens 321 passes through the optical fiber 332, both of which are guided to the fiber coupler 330 and balanced via the optical fibers 331 ′ and 332 ′. Guided to mold detector 340 (homodyne detection means). The electric signal output from the balanced detector 340 is analyzed by the A / D conversion and digital processing device 350.

キャビティリングダウン分光分析装置300の波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源301としては、Erドープファイバを用いたフェムト秒パルスレーザを使用する。パルス幅は10〜500fsが好ましい。本実施例ではパルス幅を100fs、パルス間隔を20ns(パルス周波数50MHz)とした。また、波長としては1630nmの光ソリトンを用いた。   As the wavelength-tunable femtosecond soliton pulse light source 301 of the cavity ring-down spectroscopic analyzer 300, a femtosecond pulse laser using an Er-doped fiber is used. The pulse width is preferably 10 to 500 fs. In this embodiment, the pulse width is 100 fs and the pulse interval is 20 ns (pulse frequency 50 MHz). Further, an optical soliton having a wavelength of 1630 nm was used.

ガルバノミラー308は、20Hzにて全幅8mm、紙面内上下方向に振動させる。その上で、ガルバノミラー308を紙面内下方向に300mm移動可能としている。   The galvanometer mirror 308 vibrates in the up and down direction in the drawing with a total width of 8 mm at 20 Hz. In addition, the galvanometer mirror 308 can be moved 300 mm downward in the drawing.

高反射ミラー311及び312により形成されるキャビティ領域は、キャビティ長を35mm、46mmとなるようにした。高反射ミラー311及び312はいずれも反射率が99.8%以上のものを用いた。以上の図6の構成で図1.Eのような波形を検出し、各組の強度比を算出する。また、信号光の透過光の出力される時刻と、各n回リングダウン光の出力される時刻と時間差を別途計算しする。こうして、透過光と各n回リングダウン光の時間差に対して透過光に対する各n回リングダウン光の強度をプロットし、時定数からキャビティに配置されたサンプルの吸収係数を求めた。   The cavity region formed by the high reflection mirrors 311 and 312 has a cavity length of 35 mm and 46 mm. High reflection mirrors 311 and 312 both have a reflectivity of 99.8% or more. With the configuration of FIG. A waveform such as E is detected, and the intensity ratio of each set is calculated. Further, the time difference between the time when the transmitted light of the signal light is output and the time when each n times of ring-down light is output is calculated separately. Thus, the intensity of each n-th ringdown light with respect to the transmitted light was plotted against the time difference between the transmitted light and each n-th ringdown light, and the absorption coefficient of the sample placed in the cavity was obtained from the time constant.

図6の構成で得られた実際の波形データを図8に示す。この波形は包落線を取る前の干渉波形であるが、光検出器の応答速度が1kHzと遅いため、図1.E で6 ×10-5秒のパルス幅で示したパルス列が一つの大きな干渉パルス波形として観測されている。さらに高速応答の光検出器を用いたバランス型ホモダイン検波器を用いれば図1.E のような波形で測定される。 FIG. 8 shows actual waveform data obtained with the configuration of FIG. This waveform is an interference waveform before the envelope is taken, but the response speed of the photodetector is as slow as 1 kHz. A pulse train with a pulse width of 6 × 10 -5 seconds at E is observed as one large interference pulse waveform. Furthermore, if a balanced homodyne detector using a photodetector with a fast response is used, FIG. Measured with a waveform like E.

本実施例はホモダイン検波と同様の原理により高感度検出することが可能である。実際、ATR法に比して500倍の感度(最低検出量が1/500)を得ることができた。   In the present embodiment, high sensitivity detection can be performed based on the same principle as that of homodyne detection. In fact, it was possible to obtain 500 times the sensitivity (minimum detection amount 1/500) as compared with the ATR method.

図7は、キャビティ領域に試料を表面に付着させた基板を配置する3つの方法を示す構成図である。
第1は、図7.Aのように、赤外光を、試料(Obj)を表面に付着させた基板(Sub)をも透過させるものである。この場合、基板は使用する赤外光に対して透明度の高いものを用いることが必要であり、且つ吸収係数及び基板厚さを容易に調整できる必要がある。
第2は、図7.Bのように、赤外光を、試料(Obj)を表面に付着させた基板(Sub)との界面で反射させるものである。この場合、基板は使用する赤外光に対して反射率の高いものを用いることが必要である。基板厚さについては調整する必要は無い。
第3は、図7.Cのように、底面が等脚台形状の角柱型プリズム(Priz)の、等脚台形状の底面の底辺に対応する側面Aに試料を付着させ、等脚台形状の底面の側辺に対応する側面Bから赤外光を導入して、角柱型プリズムの側面Aと、そこに付着させた試料との界面で反射させ、側面Bと対となる等脚台形状の底面の側辺に対応する側面Cから透過させるものである。これは反射点近傍の試料(Obj)によるエバネッセント波の吸収を利用するものである。尚、更には、図3.Cにおいて、高反射ミラー11を側面Bに、高反射ミラー312を側面Cに設けて、プリズム(Priz)内のみをキャビティとして用いても良い。
FIG. 7 is a configuration diagram showing three methods for arranging a substrate with a sample attached to the surface in the cavity region.
First, FIG. Like A, infrared light is transmitted through the substrate (Sub) on which the sample (Obj) is attached. In this case, it is necessary to use a substrate having high transparency with respect to infrared light to be used, and it is necessary to easily adjust the absorption coefficient and the substrate thickness.
Second, FIG. Like B, infrared light is reflected at the interface with the substrate (Sub) on which the sample (Obj) is attached. In this case, it is necessary to use a substrate having a high reflectance with respect to infrared light to be used. There is no need to adjust the substrate thickness.
Third, FIG. Like C, the sample is attached to the side surface A corresponding to the bottom of the isosceles trapezoidal bottom of the prismatic prism (Priz) whose base is an isosceles trapezoid, and corresponds to the side of the bottom of the isosceles trapezoid. Infrared light is introduced from the side B to be reflected and reflected at the interface between the side A of the prismatic prism and the sample attached thereto, and corresponds to the side of the bottom surface of the isosceles trapezoid that is paired with the side B It is made to permeate | transmit from the side C to do. This utilizes absorption of evanescent waves by the sample (Obj) in the vicinity of the reflection point. Furthermore, FIG. In C, the high reflection mirror 11 may be provided on the side surface B and the high reflection mirror 312 may be provided on the side surface C, and only the inside of the prism (Pliz) may be used as the cavity.

本発明を適用する光源としては、図9に示すようなスペクトルを持つスーパーコンティニューム光を用いてもよい。この光源を用い図6と同様な構成で得られた干渉波形を図10に示す。このような干渉波形から特定波長の吸収係数を求めるには、各干渉波形(パルス)を高速フーリエ変換し、各パルスの特定波長の強度を求め、それらの減衰時定数から求めればよい。   As a light source to which the present invention is applied, supercontinuum light having a spectrum as shown in FIG. 9 may be used. FIG. 10 shows an interference waveform obtained using this light source and having the same configuration as that shown in FIG. In order to obtain an absorption coefficient of a specific wavelength from such an interference waveform, each interference waveform (pulse) may be subjected to fast Fourier transform, the intensity of the specific wavelength of each pulse is obtained, and the attenuation time constant may be obtained.

実施の形態3
本発明を具体的な実施例に基づいて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
Embodiment 3
The present invention will be described based on specific examples, but the present invention is not limited to the following examples.

図11に示すように、ループ状の光ファイバー410に対して、光を導入する第1光伝送路412が、方向性光結合素子436により光結合している。また、このループ状の光ファイバー410の伝送路中に試料440が挿入されている。試料440は、光ファイバー410を切断して、端面を対向させ、端面間の空間に設けられている。試料440を光が通過するように構成されている。また、光ファイバー410には、光増幅素子415が設けられている。第1光伝送路412は、光ファイバーで構成されており、その光ファイバーの一端には連続レーザ光を出力できるレーザ装置430が接続されており、他端には検出素子432、検出素子432で受光されたリングダウンパルス光が減衰しないように、光増幅素子415の増幅率を制御し、その増幅率から試料の吸収特性を演算する処理装置434が設けられている。   As shown in FIG. 11, a first optical transmission line 412 for introducing light is optically coupled to a loop-shaped optical fiber 410 by a directional optical coupling element 436. A sample 440 is inserted into the transmission path of the loop-shaped optical fiber 410. The sample 440 is provided in a space between the end surfaces by cutting the optical fiber 410 so that the end surfaces face each other. The sample 440 is configured to pass light. Further, the optical fiber 410 is provided with an optical amplification element 415. The first optical transmission line 412 is composed of an optical fiber. A laser device 430 capable of outputting continuous laser light is connected to one end of the optical fiber, and the other end is received by the detection element 432 and the detection element 432. In order to prevent the ring-down pulse light from being attenuated, a processing device 434 is provided for controlling the amplification factor of the optical amplification element 415 and calculating the absorption characteristics of the sample from the amplification factor.

また、第1光伝送路412には、ループ状の光ファイバー410と第1光伝送路412とを光結合させる方向性光結合素子436が設けられている。また、方向性光結合素子436のレーザ光入射側前方には、第2偏光子421が設けられ、検出素子432のレーザ光入射側前方には、第1偏光子422が設けられている。偏光制御素子であるファラデー回転子423が、方向性光結合素子436のレーザ光入射側前方に設けられている。第2偏光子421は、例えば、S偏光成分のみを出力する素子である。ファラデー回転子423は、処理装置434からの制御信号により、伝送路方向に磁場を印加して、偏光を90度回転し、例えば、S偏光からP偏光に変化させる素子である。方向性光結合素子436は、P偏光のみをその進行方向にのみ光フイバー410に分岐する素子である。また、第1偏光子422は、所定方向に偏光した光、例えば、P偏光のみを通過させる素子である。   The first optical transmission line 412 is provided with a directional optical coupling element 436 that optically couples the loop-shaped optical fiber 410 and the first optical transmission line 412. In addition, a second polarizer 421 is provided in front of the directional optical coupling element 436 on the laser light incident side, and a first polarizer 422 is provided in front of the detection element 432 on the laser light incident side. A Faraday rotator 423 serving as a polarization control element is provided in front of the directional optical coupling element 436 on the laser light incident side. The second polarizer 421 is, for example, an element that outputs only the S-polarized component. The Faraday rotator 423 is an element that applies a magnetic field in the transmission path direction according to a control signal from the processing device 434, rotates the polarization by 90 degrees, and changes the polarization from, for example, S polarization to P polarization. The directional optical coupling element 436 is an element that branches only the P-polarized light to the optical fiber 410 only in the traveling direction. The first polarizer 422 is an element that allows only light polarized in a predetermined direction, for example, P-polarized light to pass therethrough.

レーザ装置430から出力された連続レーザ光は、第2偏光子421に入射し、S偏光成分のみが第1光伝送路412に出力される。このS偏光の連続レーザ光は、磁場が印加されていないファラデー回転子423を通過して、方向性光結合素子436に入射する。しかし、方向性光結合素子436はP偏光のみを光ファイバー410に分岐するので、この状態では、光ファイバー410にはレーザ光は出力されない。方向性光結合素子436を通過したS偏光の連続レーザ光は、第1偏光子422に入射するが、第1偏光子422はP偏光のみを通過させるので、このS偏光の連続レーザ光は、検出素子432には入射しない。よって、レーザ装置430から出力された連続レーザ光が検出素子432に入射することがなく、検出素子432でのリングダウンパルス光の受光を妨げることがない。   The continuous laser light output from the laser device 430 enters the second polarizer 421, and only the S-polarized component is output to the first optical transmission line 412. The S-polarized continuous laser light passes through the Faraday rotator 423 to which no magnetic field is applied, and enters the directional optical coupling element 436. However, since the directional optical coupling element 436 branches only the P-polarized light to the optical fiber 410, no laser light is output to the optical fiber 410 in this state. The S-polarized continuous laser light that has passed through the directional optical coupling element 436 is incident on the first polarizer 422. Since the first polarizer 422 passes only the P-polarized light, the S-polarized continuous laser light is It does not enter the detection element 432. Therefore, the continuous laser light output from the laser device 430 does not enter the detection element 432 and does not prevent the detection element 432 from receiving the ring-down pulse light.

処理装置434の出力するパルス制御信号により、ファラデー回転子423にパルス磁場が印加されると、この印加期間だけ、ファラデー回転子423を通過するレーザ光は、S偏光からP偏光に90度位相が回転する。すなわち、ファラデー回転子423の出力では、パルスP偏光が得られ、その期間外は連続したS偏光となる。このパルスP偏光レーザ光が方向性光結合素子436に入射して、光ファイバー410に分岐されて、光ファイバー410を図面上時計回りに循環する。循環する毎に、試料で光吸収が発生し、パルスP偏光レーザ光の振幅が順次減少する。すなわち、P偏光リングダウンパルス光が得られる。このリングダウンパルス光は、循環する毎に、方向性光結合素子436を介して一部の光が第1光伝送路412側に分岐される。P偏光であるので、方向性光結合素子436により第1光伝送路412側に一部分岐されて、第1偏光子422に入射する。第1偏光子422は、P偏光のみ通過させるので、このリングダウンパルス光は、検出素子432に入射する。   When a pulse magnetic field is applied to the Faraday rotator 423 by the pulse control signal output from the processing device 434, the laser light passing through the Faraday rotator 423 during this application period has a 90-degree phase from S-polarized light to P-polarized light. Rotate. In other words, pulse P-polarized light is obtained at the output of the Faraday rotator 423, and is continuously S-polarized light outside that period. The pulsed P-polarized laser light is incident on the directional optical coupling element 436, is branched to the optical fiber 410, and circulates the optical fiber 410 clockwise in the drawing. Each time it circulates, light absorption occurs in the sample, and the amplitude of the pulsed P-polarized laser light decreases sequentially. That is, P-polarized ring-down pulsed light is obtained. Each time this ring-down pulse light circulates, a part of the light is branched to the first optical transmission line 412 side via the directional optical coupling element 436. Since it is P-polarized light, the light is partially branched to the first optical transmission line 412 side by the directional optical coupling element 436 and is incident on the first polarizer 422. Since the first polarizer 422 passes only the P-polarized light, the ring-down pulsed light is incident on the detection element 432.

処理装置434は、この検出素子432で検出されたリングダウンパルス光の振幅が減衰しないように、光増幅素子415の増幅率を制御する。したがって、試料の吸収率と増幅率とが等しくなると、試料440での減衰量だけ、増幅素子で予め増幅されるので、試料を通過するパルス光は、減衰しないようにすることができる。すなわち、パルス光列の振幅が変化しないようにすることができる。この時、光増幅素子415の増幅率は、試料の吸収率の時間変動に追随できれば十分である。この測定を連続レーザ光の波長を変化させて、実行することで、試料の波長吸収特性を得ることができ、試料の原子、分子構造を特定することが可能となる。この場合には、試料に入射する光の振幅を一定にした状態で吸収係数を測定することができるので、非線形効果を排除することができ、正確に、光強度に対する吸収係数を測定することができる。逆に言えば、レーザ光の強度を変化させながら、上記の測定をすれば、試料の吸収係数の非線形特性を求めることも可能となる。   The processing device 434 controls the amplification factor of the optical amplification element 415 so that the amplitude of the ring-down pulse light detected by the detection element 432 is not attenuated. Therefore, when the absorption rate and the amplification factor of the sample are equal, the amount of attenuation in the sample 440 is amplified in advance by the amplification element, so that the pulsed light passing through the sample can be prevented from being attenuated. That is, the amplitude of the pulsed light train can be prevented from changing. At this time, it is sufficient that the amplification factor of the optical amplifying element 415 can follow the time variation of the absorption rate of the sample. By performing this measurement while changing the wavelength of the continuous laser light, the wavelength absorption characteristics of the sample can be obtained, and the atomic and molecular structure of the sample can be specified. In this case, since the absorption coefficient can be measured with the amplitude of the light incident on the sample being constant, the nonlinear effect can be eliminated, and the absorption coefficient with respect to the light intensity can be accurately measured. it can. In other words, if the above measurement is performed while changing the intensity of the laser beam, the nonlinear characteristic of the absorption coefficient of the sample can be obtained.

また、測定系自体の減衰があるので、現実には、試料が存在しない場合のパルスP偏光レーザ光のリングダウン光を測定して、そのリングダウン光が減衰しないように、上記と同様に、増幅素子の増幅率を制御して、その増幅率から測定系の減衰量を測定することができる。この測定系の減衰量で、上記のように測定した試料の吸収率を補正することで、試料の真正な吸収率を求めることが可能となる。したがって、極めて正確な吸収率の測定が実現される。   In addition, since there is attenuation of the measurement system itself, in practice, the ring-down light of the pulsed P-polarized laser light when there is no sample is measured and the ring-down light is not attenuated in the same manner as above, By controlling the amplification factor of the amplification element, the attenuation amount of the measurement system can be measured from the amplification factor. By correcting the absorption rate of the sample measured as described above with the attenuation amount of the measurement system, it is possible to obtain the true absorption rate of the sample. Therefore, an extremely accurate absorption rate measurement is realized.

パルスP偏光レーザ光のリングダウン特性は、横軸をリングダウン回数、縦軸をリングダウンパルス光の振幅として、測定する。この特性において、増幅素子の増幅率を微小量だけ制御して、リングダウンパルス光の振幅が減衰しないように、増幅率をフィードバック制御すれば良い。   The ring-down characteristic of the pulsed P-polarized laser light is measured with the horizontal axis as the number of ring-downs and the vertical axis as the amplitude of the ring-down pulsed light. In this characteristic, the amplification factor of the amplification element is controlled by a minute amount, and the amplification factor may be feedback-controlled so that the amplitude of the ring-down pulse light is not attenuated.

また、上記の実施例において、方向性光結合素子436は、一般に良く知られたものである。この方向性結合素子により、レーザ光のリングダウンパルス光を光ファイバー410から検出素子432へ取り出すことができる。また、結合率を変化させることで、光ファイバー410を循環する光の強度を調整することができる。これにより、検出素子432で受光される光の減衰幅を調整できるので、同一のダイナミックレンジにより減衰係数を測定することが可能となり、精度を向上させることができる。   In the above embodiment, the directional optical coupling element 436 is generally well known. With this directional coupling element, the ring-down pulse light of the laser light can be extracted from the optical fiber 410 to the detection element 432. Further, the intensity of light circulating through the optical fiber 410 can be adjusted by changing the coupling rate. Thereby, since the attenuation width of the light received by the detection element 432 can be adjusted, the attenuation coefficient can be measured with the same dynamic range, and the accuracy can be improved.

上記の実施例では、レーザ装置430を連続発振レーザとしているが、これをパルス発振レーザとし、第1偏光子422、第2偏光子421、ファラデー回転子423を無くしても良い。この場合には、パルスレーザ光を第1光伝送路412から方向性光結合素子436を介して、光ファイバー410に入射させることができる。   In the above embodiment, the laser device 430 is a continuous wave laser, but this may be a pulsed laser, and the first polarizer 422, the second polarizer 421, and the Faraday rotator 423 may be eliminated. In this case, pulse laser light can be incident on the optical fiber 410 from the first optical transmission line 412 via the directional optical coupling element 436.

本実施例は、実施例2の図3に示す装置において光ファイバ6に半導体光増幅器を設けたものである。その装置の構成を図12に示す。図12において光伝送路412、ループ状の光ファイバー410、試料440の挿入位置、検出素子432、処理装置434の構成は実施例4と同じである。レーザ装置430にはパルスレーザを用い、第1偏光子422、第2偏光子421、ファラデー回転子423は用いない。   In this embodiment, a semiconductor optical amplifier is provided in the optical fiber 6 in the apparatus shown in FIG. The configuration of the apparatus is shown in FIG. In FIG. 12, the configuration of the optical transmission path 412, the loop-shaped optical fiber 410, the insertion position of the sample 440, the detection element 432, and the processing device 434 is the same as that of the fourth embodiment. A pulse laser is used for the laser device 430, and the first polarizer 422, the second polarizer 421, and the Faraday rotator 423 are not used.

この実施例では、パルスレーザとして波長1.55μmの半導体レーザ430を用い電流変調によりパルス発振させた。リングダウンパルス光を高S/N で取得するために、バランス型ホモダイン検波器440を用いた。そのため、実施例4とは異なり、図3に示す実施例2の装置のように、パルスレーザを1×2の光方向性結合器408でパルスレーザの光を2分岐し、一方は、実施例4と同様に第1光伝送路404を介してループ状の光ファイバー410に可変レシオカプラ450を介して導入されるが、他方はホモダイン検波用の参照信号として光ファイバ遅延線路460−463に導入される。   In this embodiment, a semiconductor laser 430 having a wavelength of 1.55 μm was used as a pulse laser, and pulse oscillation was performed by current modulation. In order to acquire ring-down pulse light with high S / N, a balanced homodyne detector 440 was used. Therefore, unlike the device of the fourth embodiment, the pulse laser is split into two by the 1 × 2 optical directional coupler 408 as in the device of the second embodiment shown in FIG. 4 is introduced into the loop-shaped optical fiber 410 through the variable ratio coupler 450 through the first optical transmission line 404, while the other is introduced into the optical fiber delay line 460-463 as a reference signal for homodyne detection. .

試料440の挿入位置には、光ファイバの側面をコア近傍まで研磨し、ファイバ内の光のエバネッセント波又は近接場光が試料と相互作用するヘッド452が挿入されている。このヘッド452が設けられている光ファイバー410から周回して可変レシオカプラ450を介して、試料と相互作用(吸収を受けた)した信号光は2×1の光方向性結合器470に導入される。参照信号は1×4光スイッチ472を通して4種類の長さの異なる光ファイバ遅延線路のどれか一本を通って4×1光スイッチ473を介して、2×1の光方向性結合器470に入射する。光方向性結合器470に導入された信号光と参照光はちょうど参照光側の光路長がループ状の光路の整数倍近傍になったときに干渉する。そのため参照光側に微小変位用駆動ミラー453が挿入され、ミラー453を駆動することで、ホモダイン検波器には干渉波形が導入され、高いS/N で検波される。他の構成は図3と同様である。   At the insertion position of the sample 440, a head 452 in which the side surface of the optical fiber is polished to the vicinity of the core and the evanescent wave or near-field light in the fiber interacts with the sample is inserted. The signal light that has circulated from the optical fiber 410 provided with the head 452 and interacted (absorbed) with the sample via the variable ratio coupler 450 is introduced into the 2 × 1 optical directional coupler 470. The reference signal passes through one of four types of optical fiber delay lines having different lengths through the 1 × 4 optical switch 472, and passes through the 4 × 1 optical switch 473 to the 2 × 1 optical directional coupler 470. Incident. The signal light and the reference light introduced into the optical directional coupler 470 interfere when the optical path length on the reference light side is close to an integral multiple of the loop optical path. Therefore, a minute displacement drive mirror 453 is inserted on the reference light side and the mirror 453 is driven, whereby an interference waveform is introduced into the homodyne detector and detection is performed with a high S / N. Other configurations are the same as those in FIG.

ループ状の光ファイバー410には増幅素子415が挿入されており、本実施例では半導体増幅器(SOA )415を用いた。この増幅素子415はSOA に限定されるものではなく、Erなど希土類を用いた光ファイバーアンプなどを用いても良い。fsレーザのような先頭出力の高いレーザを用いた場合は、SOA では増幅が困難なため、光ファイバーアンプが適している。   An amplifying element 415 is inserted into the loop-shaped optical fiber 410, and a semiconductor amplifier (SOA) 415 is used in this embodiment. The amplifying element 415 is not limited to SOA, and an optical fiber amplifier using rare earth such as Er may be used. When a high output laser such as an fs laser is used, amplification is difficult with SOA, so an optical fiber amplifier is suitable.

SOA 電源への注入電流を変化させたときのSOA の増幅率を計測した結果を図13に示す。この図13からわかるようにSOA を用いることで、信号を16dB 程度増幅できる。このSOA の増幅率を0dB (増幅率1)として、光ファイバーの遅延光路長を30m、60m、180mと変化させたときの信号強度は図14.Aのようになる。図14.Aの黒丸はヘッドに試料がなにも無い場合の光路長に対する干渉強度である。光ファイバのヘッドやSOA や光コネクタなどの挿入損失により、大きく減衰している。この状態で20% のメタノールをヘッドに10μL 滴下して、光ファイバー内の光からもれ出るエバネッセント波がメタノールの吸収を受けた場合干渉強度は図14.Aの三角印のように吸収分だけ干渉強度が弱くなる。ホモダイン検波器のノイズレベルが点線のレベルとした場合、光遅延光路長60m以上では信号がノイズに埋もれ、高感度な計測が不可能となる。   FIG. 13 shows the measurement results of the SOA amplification factor when the injection current to the SOA power supply is changed. As can be seen from FIG. 13, by using SOA, a signal can be amplified by about 16 dB. The signal intensity when the SOA amplification factor is 0 dB (amplification factor 1) and the optical path length of the optical fiber is changed to 30 m, 60 m, and 180 m is shown in FIG. Like A. FIG. A black circle in A is the interference intensity with respect to the optical path length when there is no sample in the head. It is greatly attenuated by the insertion loss of optical fiber heads, SOAs, optical connectors, etc. When 10 μL of 20% methanol is dropped onto the head in this state and the evanescent wave leaking from the light in the optical fiber is absorbed by methanol, the interference intensity is as shown in FIG. As indicated by the triangle A, the interference intensity is weakened by the amount absorbed. When the noise level of the homodyne detector is a dotted line level, the signal is buried in noise when the optical delay optical path length is 60 m or more, and high-sensitivity measurement becomes impossible.

一方、SOA の増幅率を調整して、ループ状ファイバ内の損失を補正した場合、図14.Bのように、ヘッドに試料が無いときの干渉強度はSOA の増幅率を1としたときの三角印から黒丸となり、光遅延線路の光路長を長くしても干渉強度が変化しないように補正することができる。この状態で試料がヘッドに存在するときはその吸収を受けて、干渉強度は図14.Cの三角印のようになる。この場合図14.Bの三角印と異なり60m以上でも干渉強度がノイズレベル以下とならない。本実施例では最長の光遅延線路の光路長を180mとしているが、数km以上の光遅延線路でも測定が可能であり、非常に吸光度の小さな試料を測定できる。   On the other hand, when the gain in the looped fiber is corrected by adjusting the amplification factor of the SOA, FIG. As shown in B, the interference intensity when there is no sample in the head changes from a triangle mark when the SOA amplification factor is 1 to a black circle, and is corrected so that the interference intensity does not change even if the optical path length of the optical delay line is increased. can do. When the sample is present in the head in this state, it is absorbed and the interference intensity is as shown in FIG. It looks like a triangular triangle. In this case, FIG. Unlike the triangle mark B, the interference intensity does not fall below the noise level even at 60 m or more. In the present embodiment, the optical path length of the longest optical delay line is 180 m, but measurement is possible even with an optical delay line of several kilometers or more, and a sample having a very small absorbance can be measured.

次に図15にCWレーザを用いる実施例を示す。実施例5で示した図12と同様の装置構成で、レーザ装置のみCW発振の半導体レーザに変えることで、同様な測定が可能となる。光遅延光路長を変えた時の干渉強度はパルス発振と同様に適当に増幅率を調整することで、3mの光路長でも180mの光路長でも図16(a) のような干渉がミラーを駆動することでホモダイン検波器により観測される。この状態でヘッド部に吸収がある試料が存在すると、図16(b) のような干渉波形が得られ、これらの干渉の減衰率から吸収特性を高感度に測定できる。この場合図16(b) のような吸収を受けた干渉波形を適当に増幅率を上げて、図16(a) と同じ干渉強度とし、このときの増幅率から、吸収特性を求めても良い。   Next, FIG. 15 shows an embodiment using a CW laser. With the same apparatus configuration as that of FIG. 12 shown in the fifth embodiment, the same measurement can be performed by changing only the laser apparatus to a CW oscillation semiconductor laser. The interference intensity when the optical delay path length is changed is adjusted appropriately in the same way as pulse oscillation, and the interference shown in Fig. 16 (a) drives the mirror regardless of the optical path length of 3m or 180m. Is observed by a homodyne detector. If there is a sample having absorption in the head portion in this state, an interference waveform as shown in FIG. 16B is obtained, and the absorption characteristics can be measured with high sensitivity from the attenuation rate of these interferences. In this case, the interference waveform that has been absorbed as shown in FIG. 16 (b) is appropriately increased in gain so as to have the same interference intensity as in FIG. 16 (a), and the absorption characteristic may be obtained from the gain at this time. .

実施形態3
次に、本発明の具体的な実施例である実施例7について説明する。図17において、第1光伝送路412、ループ状の光ファイバー410、試料440の挿入位置、検出素子432、処理装置434の構成は、実施例4と同一である。レーザ装置430にはパルスレーザを用い、第1偏光子422、第2偏光子421、ファラデー回転子423は用いない。
Embodiment 3
Next, a seventh embodiment which is a specific embodiment of the present invention will be described. In FIG. 17, the configuration of the first optical transmission line 412, the loop-shaped optical fiber 410, the insertion position of the sample 440, the detection element 432, and the processing device 434 is the same as that of the fourth embodiment. A pulse laser is used for the laser device 430, and the first polarizer 422, the second polarizer 421, and the Faraday rotator 423 are not used.

この実施例では、光ファイバー410に対するレーザ光の入力系統と、レーザ光の出力系統とを分離した例である。入力系統は、光を透過も反射もさせない終端子424が第1光伝送路の終端に接続されている。新たに設けられたレーザ光の出力系統として、光ファイバー410に光結合する第2の方向性光結合素子437、第2の方向性光結合素子437によって光ファイバー410と結合する第2光伝送路413、終端子425が設けられている。そして、第2光伝送路413の一端に検出素子432を接続している。   In this embodiment, a laser light input system and a laser light output system for the optical fiber 410 are separated. In the input system, a terminal 424 that does not transmit or reflect light is connected to the terminal of the first optical transmission line. As a newly provided laser beam output system, a second directional optical coupling element 437 optically coupled to the optical fiber 410, a second optical transmission line 413 coupled to the optical fiber 410 by the second directional optical coupling element 437, A termination terminal 425 is provided. The detection element 432 is connected to one end of the second optical transmission line 413.

本実施例では、レーザ装置430から出力されるパルスレーザ光が第1光伝送路を伝搬し、方向性光結合素子436を介して光ファイバー410に分岐し、光ファイバー410を循環する。光ファイバー410を循環するリングダウンパルス光は、第2の方向性光結合素子437、第2光伝送路413を介して、検出素子432に入射する。この検出素子432に入射したパルスレーザ光の振幅が減衰しないように、光増幅素子437の増幅率が、処理装置434によりフィードバック制御される。そして、その増幅素子の増幅率から試料の吸収係数が演算される。この場合には、入力系統と出力系統とが分離されているので、出力系統である第2光伝送路413には、偏光子や、偏光性の方向性結合素子を用いる必要がない。   In this embodiment, the pulse laser beam output from the laser device 430 propagates through the first optical transmission line, branches to the optical fiber 410 via the directional optical coupling element 436, and circulates through the optical fiber 410. The ring-down pulse light circulating through the optical fiber 410 is incident on the detection element 432 via the second directional optical coupling element 437 and the second optical transmission path 413. The processing device 434 performs feedback control of the amplification factor of the optical amplification element 437 so that the amplitude of the pulsed laser light incident on the detection element 432 is not attenuated. Then, the absorption coefficient of the sample is calculated from the amplification factor of the amplification element. In this case, since the input system and the output system are separated, it is not necessary to use a polarizer or a polarizing directional coupling element for the second optical transmission line 413 that is the output system.

上記実施例では、光ファイバー410をループ状に構成しているが、図18に示すように、これを直線又は曲線にしても良い。すなわち、直線状の光ファイバー490を方向性光結合素子436により第1光伝送路412と結合させる。そして、光ファイバー490の両端は鏡面442、443として、光を反射させるようにする。このようにしても、ループでない直線状や曲線状の光ファイバー490を往復進行するパルス光を検出素子432側に出力することができる。この時、方向性光結合素子436の機能により、光ファイバー490を試料440側に伝搬するリングダウンパルス光のみを第1光伝送路412に出力させて、検出素子432に入射させることができる。   In the above embodiment, the optical fiber 410 is configured in a loop shape, but it may be a straight line or a curved line as shown in FIG. That is, the linear optical fiber 490 is coupled to the first optical transmission line 412 by the directional optical coupling element 436. Then, both ends of the optical fiber 490 are mirror surfaces 442 and 443 so as to reflect light. Even in this case, pulsed light that travels back and forth through a linear or curved optical fiber 490 that is not a loop can be output to the detection element 432 side. At this time, only the ring-down pulse light propagating through the optical fiber 490 to the sample 440 side can be output to the first optical transmission line 412 and incident on the detection element 432 by the function of the directional optical coupling element 436.

本実施例は、図19に示すように、実施例7の構成において、第1偏光子422、第2偏光子421、偏光制御素子であるファラデー回転子423を排除し、方向性光結合素子436に代えて、光結合制御素子であるピエゾ駆動結合率可変カプラ436を設けたことが特徴である。他の構成は、実施例7と同一である。ピエゾ駆動結合率可変カプラ436は、電気光学効果を用いて結合率を制御する素子であり、電圧を印加することで、光結合率を制御できる素子である。ピエゾ駆動結合率可変カプラ436にパルス電圧を印加して、パルス的に結合率を高くすることで、光ファイバー410には、パルス光を入射させることができる。このパルス光のリングダウン特性が受光素子432により検出されることは、実施例7と同一である。
また、光結合制御素子としては、ピエゾ駆動結合率可変カプラに代えて、光スイッチとしても良い。すなわち、第1光伝送路412から光ファイバー410への接続と遮断とを高速で行える光スイッチ素子で構成しても、パルス光又はステップ減少光を光ファバー410に入射させることができる。
As shown in FIG. 19, this embodiment excludes the first polarizer 422, the second polarizer 421, and the Faraday rotator 423 that is a polarization control element in the configuration of the seventh embodiment, and a directional optical coupling element 436. Instead, a piezo drive coupling rate variable coupler 436 as an optical coupling control element is provided. Other configurations are the same as those of the seventh embodiment. The piezo drive coupling rate variable coupler 436 is an element that controls the coupling rate using the electro-optic effect, and is an element that can control the optical coupling rate by applying a voltage. By applying a pulse voltage to the piezo drive coupling rate variable coupler 436 to increase the coupling rate in a pulse manner, pulsed light can be incident on the optical fiber 410. The fact that the ring-down characteristic of this pulsed light is detected by the light receiving element 432 is the same as in the seventh embodiment.
The optical coupling control element may be an optical switch instead of the piezo drive coupling rate variable coupler. In other words, even if the optical switch element can be connected and disconnected from the first optical transmission line 412 to the optical fiber 410 at high speed, pulsed light or step-reduced light can be incident on the optical fiber 410.

全実施例において、次のようにした実施例が考えられる。試料440を設置しない状態で、リングダウン光の減衰がないように光増幅素子の増幅率をフィードバック制御する。次に、試料440を設置して、リングダウン光の減衰特性を測定し、この特性から減衰定数を測定する。この場合には、リングダウン光の減衰特性には、測定系による減衰は排除されているので、試料だけの吸収係数を正確に求めることができる。   In all the examples, the following examples can be considered. In a state where the sample 440 is not installed, the gain of the optical amplifying element is feedback-controlled so that the ring-down light is not attenuated. Next, the sample 440 is installed, the attenuation characteristic of the ring-down light is measured, and the attenuation constant is measured from this characteristic. In this case, since the attenuation due to the measurement system is excluded from the attenuation characteristic of the ring-down light, the absorption coefficient of only the sample can be accurately obtained.

上記の実施例4−実施例10の実施例において、光ファイバー410,490を伝搬する光をパルス光に代えて、ステップ減少する光としても良い。この場合には、実施例4においては、処理装置434の出力する連続制御信号により、ファラデー回転子423に連続磁場が印加される。この結果、第2偏光子421から出力されるS偏光の連続レーザ光は、ファラデー回転子423により、P偏光に変換される。P偏光レーザ光が方向性光結合素子436を介して、光ファイバー410,490に入射する。次に、連続制御信号を遮断して、ファラデー回転子423への磁場の印加を停止する。すると、ファラデー回転子423の出力は、S偏光の連続レーザ光となり、この光は光ファイバー410、490には入射しない。したがって、光ファイバー410、490においては、P偏光レーザ光の振幅がステップ的に減少することになる。このステップ減少する光のリングダウン光を検出して、その光が減衰しないように、増幅素子415の増幅率をフィードバック制御する。この増幅率に基づいて試料の吸収率を測定することができる。   In the above-described embodiments of Embodiment 4 to Embodiment 10, the light propagating through the optical fibers 410 and 490 may be replaced with pulse light and may be light that decreases in steps. In this case, in the fourth embodiment, a continuous magnetic field is applied to the Faraday rotator 423 by a continuous control signal output from the processing device 434. As a result, the S-polarized continuous laser light output from the second polarizer 421 is converted to P-polarized light by the Faraday rotator 423. P-polarized laser light is incident on the optical fibers 410 and 490 via the directional optical coupling element 436. Next, the continuous control signal is interrupted, and the application of the magnetic field to the Faraday rotator 423 is stopped. Then, the output of the Faraday rotator 423 becomes S-polarized continuous laser light, and this light does not enter the optical fibers 410 and 490. Therefore, in the optical fibers 410 and 490, the amplitude of the P-polarized laser light decreases stepwise. This step-down light ring-down light is detected, and the amplification factor of the amplifying element 415 is feedback-controlled so that the light is not attenuated. Based on this amplification factor, the absorption rate of the sample can be measured.

また、実施例7、8においては、レーザ装置430を連続レーザとして、第1光伝送路412にシャッターを設けて、このシャッターにより急峻にレーザ光の伝搬を遮断するようにしても良い。また、レーザの発振自体を急峻に停止させるようにしても良い。このようにしてもステップ減少するレーザ光を光ファイバー10,100に伝搬させることができる。実施例9においては、初期状態において、ピエゾ駆動結合率可変カプラ436により、第1光伝送路412と光ファイバー410との結合率を大きくしておき、光ファイバー410,490に連続レーザ光を入射させる。次に、ピエゾ駆動結合率可変カプラ436を制御して、第1光伝送路412と光ファイバー410との結合率をステップ的に減少させる。すると、光ファイバー410,490への連続レーザ光の入射がステップ的に遮断されることになる。このステップ減少する光のリングダウン光を検出して、その光が減衰しないように増幅素子415の増幅率をフィードバック制御する。この増幅率に基づいて試料の吸収率を測定することができる。   In the seventh and eighth embodiments, the laser device 430 may be a continuous laser, and a shutter may be provided in the first optical transmission line 412 so that the propagation of laser light is sharply blocked by this shutter. Further, the laser oscillation itself may be suddenly stopped. Even in this way, the laser light that decreases in steps can be propagated to the optical fibers 10 and 100. In the ninth embodiment, in the initial state, the coupling ratio between the first optical transmission line 412 and the optical fiber 410 is increased by the piezo drive coupling ratio variable coupler 436, and continuous laser light is incident on the optical fibers 410 and 490. Next, the piezo drive coupling rate variable coupler 436 is controlled to reduce the coupling rate between the first optical transmission line 412 and the optical fiber 410 stepwise. Then, the continuous laser light incident on the optical fibers 410 and 490 is blocked stepwise. The ring-down light of this step decreasing light is detected, and the amplification factor of the amplifying element 415 is feedback controlled so that the light is not attenuated. Based on this amplification factor, the absorption rate of the sample can be measured.

また、実施例4乃至10の全実施例において、方向性光結合素子436に代えて、光スイッチを用いても良い。すなわち、第1光伝送路412と、光ファイバー410,490とを、光の伝搬方向に結合させるモードと、光ファイバー410,490を閉じた状態にするモードと、光ファイバー410,490を伝搬した光を第1光伝送路412の下流側に伝搬させるモードとを切り替えることができる光スイッチを用いても良い。リングダウンパルス光の周期に同期して、スイッチ端子を切り替える光スイッチ素子としても良い。   Further, in all of the embodiments 4 to 10, an optical switch may be used instead of the directional optical coupling element 436. That is, the first optical transmission line 412 and the optical fibers 410 and 490 are coupled in the light propagation direction, the optical fibers 410 and 490 are closed, and the light propagated through the optical fibers 410 and 490 is the first. You may use the optical switch which can switch the mode propagated to the downstream of 1 optical transmission path 412. FIG. It is good also as an optical switch element which switches a switch terminal synchronizing with the period of ringdown pulse light.

また、増幅率は試料440が存在しない場合の増幅素子415の増幅率に固定しておき、試料440が存在する場合の検出素子432で測定される減衰光量から試料440の吸収測定を測定することもできる。   Further, the amplification factor is fixed to the amplification factor of the amplification element 415 when the sample 440 does not exist, and the absorption measurement of the sample 440 is measured from the attenuation light amount measured by the detection element 432 when the sample 440 exists. You can also.

また、図17に示す実施例7において、連続レーザ光を光ファイバー410に導入しても良い。連続レーザ光を用いた場合には、試料440が存在しない場合の増幅素子415の増幅率は小さく、試料440が存在する場合にはそれによる光吸収のために増幅素子415の増幅率は大きくなる。この増幅率の差により試料40の吸収特性を測定することができる。   In Example 7 shown in FIG. 17, continuous laser light may be introduced into the optical fiber 410. When continuous laser light is used, the amplification factor of the amplification element 415 is small when the sample 440 is not present, and when the sample 440 is present, the amplification factor of the amplification element 415 is large due to light absorption by the amplification element 415. . The absorption characteristic of the sample 40 can be measured by the difference in amplification factor.

上記したように、試料を通過するレーザ光の振幅が減衰しないようにフィードバック制御する場合には、レーザ光の強度が所定値の場合における試料の光吸収係数を測定することができ、測定精度を向上させることができる。また、レーザ光は光ファイバーや光学系での損失が無視できるレベルまで増幅されるので、S/N比を向上させて試料だけの損失を精度良く測定することができる。   As described above, when feedback control is performed so that the amplitude of the laser beam passing through the sample is not attenuated, the light absorption coefficient of the sample when the intensity of the laser beam is a predetermined value can be measured, and the measurement accuracy can be improved. Can be improved. Further, since the laser light is amplified to a level at which the loss in the optical fiber and the optical system can be ignored, the loss of only the sample can be accurately measured by improving the S / N ratio.

実施形態4
本発明を具体的な実施例に基づいて説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。
Embodiment 4
The present invention will be described based on specific examples, but the present invention is not limited to the following examples.

図20に示すように、ループ状の光ファイバー510に対して、光を導入する第1光伝送路512が、方向性光結合素子536により光結合している。また、このループ状の光ファイバー510の伝送路中に試料540が挿入されている。試料540は、光ファイバー510を切断して、端面を対向させ、端面間の空間に設けられている。試料540を光が通過するように構成されている。第1光伝送路512は、光ファイバーで構成されており、その光ファイバーの一端には広帯域スーパーコンティニューム光レーザ装置530が接続されており、他端には受光素子532、受光素子532で受光されたリングダウンパルス光から減衰係数を演算する処理装置534が設けられている。処理装置は、受光素子532と処理装置534とで構成されている。広帯域スーパーコンティニューム光レーザ装置530は、光ファイバーの非線形性やラマン増幅を用いて、広帯域スーパーコンティニュームレーザ光を出力する装置である。広帯域スーパーコンティニュームレーザ光については、例えば、西澤典彦、後藤俊夫, 固体物理Vol.39 No.10,(2004),pp665-678 により周知である。   As shown in FIG. 20, a first optical transmission line 512 for introducing light is optically coupled to a loop-shaped optical fiber 510 by a directional optical coupling element 536. A sample 540 is inserted in the transmission path of the loop-shaped optical fiber 510. The sample 540 is provided in the space between the end faces by cutting the optical fiber 510 so that the end faces face each other. The sample 540 is configured to pass light. The first optical transmission line 512 is composed of an optical fiber, and a broadband super continuum optical laser device 530 is connected to one end of the optical fiber, and the light receiving element 532 and the light receiving element 532 receive light at the other end. A processing device 534 for calculating an attenuation coefficient from the ring-down pulse light is provided. The processing device includes a light receiving element 532 and a processing device 534. The broadband super continuum laser device 530 is a device that outputs a broadband super continuum laser beam by using nonlinearity of the optical fiber or Raman amplification. The broadband super continuum laser light is well known, for example, by Norihiko Nishizawa, Toshio Goto, Solid State Physics Vol. 39 No. 10, (2004), pp 665-678.

また、第1光伝送路512には、ループ状の光ファイバー510と第1光伝送路512とを光結合させる方向性光結合素子536が設けられている。方向性光結合素子536は、第1光伝送路512を伝搬した光を進行方向にのみ光フイバー510に分岐し、光ファイバー510を伝搬した光を進行方向にのみ第1光伝送路512に分岐する素子である。第1光伝送路512からパルスレーザ光が光ファイバー510に導入されると、パルスレーザ光は光ファイバー510を循環し、試料540を通過する毎に、その振幅が、順次、減少し、リングダウンパルス光が得られる。このリングダウンパルス光が、方向性光結合素子536を介して、光ファイバー510から第1光伝送路512へ出力される。   The first optical transmission line 512 is provided with a directional optical coupling element 536 that optically couples the loop-shaped optical fiber 510 and the first optical transmission line 512. The directional optical coupling element 536 branches the light propagated through the first optical transmission path 512 to the optical fiber 510 only in the traveling direction, and branches the light propagated through the optical fiber 510 to the first optical transmission path 512 only in the traveling direction. It is an element. When pulse laser light is introduced into the optical fiber 510 from the first optical transmission path 512, the pulse laser light circulates through the optical fiber 510, and each time it passes through the sample 540, its amplitude decreases sequentially, and ring-down pulse light. Is obtained. This ring-down pulse light is output from the optical fiber 510 to the first optical transmission line 512 via the directional optical coupling element 536.

このリングダウンパルス光のリングダウン減衰係数を、受光素子532、処理装置534で測定することで、試料の減衰係数を測定することが可能となる。この測定をレーザ光の各波長に対して実行することで、試料の波長吸収特性を得ることができ、試料の原子、分子構造を特定することが可能となる。   By measuring the ring-down attenuation coefficient of the ring-down pulse light with the light receiving element 532 and the processing device 534, the attenuation coefficient of the sample can be measured. By performing this measurement for each wavelength of the laser beam, the wavelength absorption characteristics of the sample can be obtained, and the atomic and molecular structure of the sample can be specified.

光ファイバー510をシングルモード高分散ファイバーとした場合の波長と1m当たりの伝搬遅延時間との関係を図22のSMFで示す。波長が1.33μmから1.94μmに変化すると、伝搬遅延時間は13ps/mだけ変化する。したがって、光ファイバー510の長さを1kmとすると、波長が1.33μmから1.94μmに変化すると、遅延時間は13nsだけ変化することになる。すなわち、波長1.33μm〜1.94μmの広帯域スーパコンティニューム光を用いると、1回のリングダウンパルス毎に、パルス幅は、13nsだけ広くなる。例えば、パルスレーザ光に波長1.33μm〜1.94μmの広帯域スーパコンティニュームでフェムト秒レーザ光(100fs(1×10-13 sec))を用いると、1回目のリングダウンパルスの幅は13nsとなり、2回目のリングダウンパルスの幅は26nsとなり、3回目のリングダパルスの幅は39nsとなる。こられのリングダウンパルスを図示すると図21のようになる。 The relationship between the wavelength and propagation delay time per meter when the optical fiber 510 is a single mode high dispersion fiber is shown by SMF in FIG. When the wavelength changes from 1.33 μm to 1.94 μm, the propagation delay time changes by 13 ps / m. Accordingly, if the length of the optical fiber 510 is 1 km, the delay time changes by 13 ns when the wavelength changes from 1.33 μm to 1.94 μm. That is, when broadband supercontinuum light having a wavelength of 1.33 μm to 1.94 μm is used, the pulse width is increased by 13 ns for each ring-down pulse. For example, when a femtosecond laser beam (100 fs (1 × 10 −13 sec)) is used as a pulse laser beam in a broadband super continuum with a wavelength of 1.33 μm to 1.94 μm, the width of the first ring-down pulse is 13 ns. The width of the second ring-down pulse is 26 ns, and the width of the third ring-down pulse is 39 ns. These ring-down pulses are illustrated in FIG.

このフェムト秒レーザ光のパルス周期を3kHzとすると、1周期の間に100回のリングダウンパルスを許容することができる。100回のリングダウンがあっても、パルス幅は1.3μsとなり、隣接するリングダンウパルスの間隔が3.3μsであるので、それらが重なることはない。受光素子32で受光した図21に示すようなリングダウンパルスを微小時間間隔でサンプリングして、その値を一端記憶する。なお、図21に示す1パルスレーザ光についてのリングダンウパルスを一度にサンプリングできないのであれば、3kHzでパルスレーザ光は繰り返されているので、同一波形のリングダウンパルスが3kHzで繰り返されるとして、この繰り返し波形をサンプリングして、1周期当たりのリングダウンパルス波形を得るようにしても良い。   If the pulse period of the femtosecond laser light is 3 kHz, 100 ring-down pulses can be allowed during one period. Even if there are 100 ring-downs, the pulse width is 1.3 μs, and the interval between adjacent ring dumb pulses is 3.3 μs, so they do not overlap. A ring-down pulse as shown in FIG. 21 received by the light receiving element 32 is sampled at a minute time interval, and the value is temporarily stored. If it is not possible to sample the ring pulse for one pulse laser beam shown in FIG. 21 at a time, the pulse laser beam is repeated at 3 kHz, so that the ring-down pulse with the same waveform is repeated at 3 kHz. The repetitive waveform may be sampled to obtain a ring-down pulse waveform per cycle.

そして、図21に示す、1パルスレーザ光当たりのリングダウンパルスが得られれば、図21に示す時刻と、波長とは一定の関係にあるので、時刻から波長を決定することができる。例えば、図22に示す特性を直線、y=k(x−x0 )+y0 と仮定する。ただし、xは波長、x0 はこの特性の中心波長で1.64μm、yは遅延時間、y0 は波長x0 における遅延時間である。さらに、説明を簡単にするために、y0 =0とする。図21の波形は、y0 =0とし、x0 からの最大波長変位をΔx(0.3μm)とするとき、Δx当たり、6.5nsの遅延時間で表されている。したがって、1回のリングダウンに関して、k=6.5ns/Δx=21.67ns/μmであり、y1 =k(x−x0 )であ。2回目のリングダウンパルスに関しては、y2 =2k(x−x0 )、3回目のリングダウンパルスに関しては、y3 =3k(x−x0 )である。ただし、yは、各リングダウンパルスの中心、すなわち、中心波長x0 における各リングダウンパルスの時刻を基準とした遅延時間である。 If the ring-down pulse per one-pulse laser beam shown in FIG. 21 is obtained, the time shown in FIG. 21 and the wavelength are in a fixed relationship, so that the wavelength can be determined from the time. For example, assume that the characteristic shown in FIG. 22 is a straight line, y = k (x−x 0 ) + y 0 . Where x is the wavelength, x 0 is the center wavelength of this characteristic, 1.64 μm, y is the delay time, and y 0 is the delay time at the wavelength x 0 . Further, for the sake of simplicity, y 0 = 0 is assumed. The waveform in FIG. 21 is represented by a delay time of 6.5 ns per Δx, where y 0 = 0 and the maximum wavelength displacement from x 0 is Δx (0.3 μm). Therefore, for one ring down, k = 6.5 ns / Δx = 21.67 ns / μm and y 1 = k (x−x 0 ). For the second ring-down pulse, y 2 = 2k (x−x 0 ), and for the third ring-down pulse, y 3 = 3 k (x−x 0 ). However, y is a delay time based on the center of each ring-down pulse, that is, the time of each ring-down pulse at the center wavelength x 0 .

図21のリングダウンパルス波形が得られれば、上記の関係から時刻列y1 , 2 , …yn に対応した波長xを求めることができる。そして、この波長xに関して、時刻列y1 , 2 , …yn におけるパルスの値の減衰特性から、リングダウンパルスの減衰率αを演算する。これを各波長xに関して求めれば、波長に関する減衰率α(x)を求めることができる。実際には、図22の波長伝搬遅延時間特性が直線ではないので、この曲線を用いて図21の時刻と波長との関係を求めることになる。 As long obtained ring-down pulse waveform of FIG. 21, the time sequence y 1, y 2 from the above relationship, it is possible to determine the wavelength x corresponding to ... y n. Then, with respect to the wavelength x, the time sequence y 1, y 2, ... from the damping characteristics of the pulse of the values in y n, calculates the decay rate of the ring-down pulse alpha. If this is calculated | required regarding each wavelength x, the attenuation factor (alpha) (x) regarding a wavelength can be calculated | required. Actually, since the wavelength propagation delay time characteristic of FIG. 22 is not a straight line, the relationship between the time and the wavelength of FIG. 21 is obtained using this curve.

上記のように、光ファイバー10の長さを1kmとすれば、リングダウンパルスのパルス幅が最小でも13ns、10回目のリングダウンパルスで130nsとなる。したがって、パルス幅が十分に広くなるので、波形のサンプリングが容易となり、波長分解能も高くなる。また、光ファイバー10の長さを100mとしても、リングダウンパルスのパルス幅が最小で1.3ns、10回目のリングダウンパルスで13nsとなり、図21の波形をサンプリングすることは可能である。   As described above, if the length of the optical fiber 10 is 1 km, the pulse width of the ring-down pulse is at least 13 ns and 130 ns at the 10th ring-down pulse. Therefore, since the pulse width is sufficiently wide, waveform sampling is facilitated and the wavelength resolution is increased. Even if the length of the optical fiber 10 is 100 m, the pulse width of the ring-down pulse is 1.3 ns at the minimum and 13 ns at the 10th ring-down pulse, and the waveform of FIG. 21 can be sampled.

パルスレーザ光の繰り返し周期は、光ファイバー10の長さと関連する。全長1kmとすると、3.3μs毎に、リングダウンパルスが出力されるので、パルスレーザ光の繰り返し周波数1kHz(周期1×10-3sec )とすると、1パルス周期の間に300回のリングダウンパルスを許容することができる。また、光ファイバー10の全長を100mとすると、0.33μs毎にリングダウンパルスが出力されるので、1パルス周期の間に100回のリングダウンパルスを許容するのであれば、パルス周期を30kHzとする必要がある。 The repetition period of the pulse laser beam is related to the length of the optical fiber 10. If the total length is 1 km, a ring-down pulse is output every 3.3 μs. Therefore, if the repetition frequency of the pulse laser beam is 1 kHz (period 1 × 10 −3 sec), 300 ring-downs are performed during one pulse period. Pulses can be tolerated. If the total length of the optical fiber 10 is 100 m, a ring-down pulse is output every 0.33 μs. Therefore, if 100 ring-down pulses are allowed during one pulse period, the pulse period is set to 30 kHz. There is a need.

また、測定系自体の減衰があるので、現実には、試料が存在しない場合のパルスレーザ光のリングダウン特性を基準特性として測定しておいて、試料を測定した場合のパルス光レーザのリングダウン特性の基準特性に対する偏差の減衰特性を用いて、試料の吸収係数を測定することになる。この吸収係数は、横軸をリングダウン回数、縦軸をリングダウンパルスの振幅としたときの指数関数の減衰係数から演算すれば良い。また、レーザ光の波長を変化させて、同様にリングダウン特性の減衰係数を測定することで、波長吸収特性が得られる。この特性は、吸収係数の絶対値が不明であっても、波長特性として相対的な吸収特性が得られれば、試料を同定することができる。   In addition, since the measurement system itself is attenuated, in reality, the ring-down characteristic of the pulsed laser when there is no sample is measured as the reference characteristic, and the ring-down of the pulsed laser when the sample is measured The absorption coefficient of the sample is measured using the attenuation characteristic of the deviation of the characteristic with respect to the reference characteristic. The absorption coefficient may be calculated from an exponential decay coefficient when the horizontal axis is the number of ringdowns and the vertical axis is the amplitude of the ringdown pulse. Further, the wavelength absorption characteristic can be obtained by changing the wavelength of the laser beam and measuring the attenuation coefficient of the ring-down characteristic in the same manner. Even if the absolute value of the absorption coefficient is unknown, the sample can be identified if the relative absorption characteristic is obtained as the wavelength characteristic.

また、上記の実施例12において、方向性光結合素子536は、一般に良く知られたものである。この方向性結合素子により、レーザ光のリングダウンパルスを受光素子532へ取り出すことができる。また、結合率を変化させることで、光ファイバー510を循環する光の強度を調整することができる。これにより、受光素子532で受光される光の減衰幅を調整できるので、同一のダイナミックレンジにより減衰係数を測定することが可能となり、精度を向上させることができる。   In Example 12 described above, the directional optical coupling element 536 is generally well known. With this directional coupling element, a ring-down pulse of laser light can be extracted to the light receiving element 532. Further, the intensity of light circulating through the optical fiber 510 can be adjusted by changing the coupling rate. Thereby, since the attenuation width of the light received by the light receiving element 532 can be adjusted, the attenuation coefficient can be measured with the same dynamic range, and the accuracy can be improved.

次に、本発明の具体的な実施例である実施例13について説明する。図23において、第1光伝送路512、ループ状の光ファイバー510、試料540の挿入位置、レーザ装置530、受光素子532、処理装置534の構成は、実施例12と同一である。
この実施例13では、光ファイバー510に対するレーザ光の入力系統と、レーザ光の出力系統とを分離した例である。入力系統は、実施例12と、ほぼ、同様であるが、第1光伝送路512の終端には、光を透過も反射もさせない終端子524が用いられている点が異なる。新たに設けられたレーザ光の出力系統として、光ファイバー510に光結合する第2の方向性光結合素子537、第2の方向性光結合素子537によって光ファイバー510と結合する第2光伝送路513、終端子525が設けられている。そして、第2光伝送路513の一端に受光素子532を接続している。
Next, a thirteenth embodiment which is a specific embodiment of the present invention will be described. In FIG. 23, the configuration of the first optical transmission line 512, the loop-shaped optical fiber 510, the insertion position of the sample 540, the laser device 530, the light receiving element 532, and the processing device 534 is the same as in the twelfth embodiment.
In the thirteenth embodiment, the laser light input system and the laser light output system for the optical fiber 510 are separated. The input system is substantially the same as that of the twelfth embodiment except that a terminal 524 that does not transmit or reflect light is used at the end of the first optical transmission line 512. As a newly provided laser beam output system, a second directional optical coupling element 537 optically coupled to the optical fiber 510, a second optical transmission line 513 coupled to the optical fiber 510 by the second directional optical coupling element 537, A termination terminal 525 is provided. A light receiving element 532 is connected to one end of the second optical transmission line 513.

本実施例では、パルスレーザ光を光ファイバー510に導く方法は、実施例12と同一である。光ファイバー510を循環するリングダウンパルス光は、第2の方向性光結合素子537、第2光伝送路513を介して、受光素子532に入射する。この場合には、入力系統と出力系統とが分離されているので、出力系統である第2光伝送路513には、偏光子や、偏光性の方向性結合素子を用いる必要がない。   In this embodiment, the method for guiding the pulse laser beam to the optical fiber 510 is the same as that of the twelfth embodiment. The ring-down pulse light circulating through the optical fiber 510 is incident on the light receiving element 532 via the second directional optical coupling element 537 and the second optical transmission path 513. In this case, since the input system and the output system are separated, it is not necessary to use a polarizer or a polarizing directional coupling element for the second optical transmission line 513 that is the output system.

上記実施例13では、光ファイバー510をループ状に構成しているが、図24に示すように、これを直線又は曲線にしても良い。すなわち、直線状の光ファイバー590を方向性光結合素子536により第1光伝送路512と結合させる。そして、光ファイバー590の両端は鏡面542、543として、光を反射させるようにする。このようにしても、ループでない直線状や曲線状の光ファイバー590を往復進行するパルスレーザ光を受光素子532側に出力することができる。この時、方向性光結合素子536の機能により、光ファイバー590を試料540側に伝搬するリングダウンパルス光のみを第1光伝送路512に出力させて、受光素子532に入射させることができる。その他の構成は、実施例12と同様である。   In the thirteenth embodiment, the optical fiber 510 is configured in a loop shape. However, as shown in FIG. 24, it may be a straight line or a curved line. That is, the linear optical fiber 590 is coupled to the first optical transmission line 512 by the directional optical coupling element 536. Then, both ends of the optical fiber 590 are mirror surfaces 542 and 543 so as to reflect light. Even in this case, it is possible to output pulsed laser light that travels back and forth along a linear or curved optical fiber 590 that is not a loop to the light receiving element 532 side. At this time, only the ring-down pulse light propagating through the optical fiber 590 to the sample 540 side can be output to the first optical transmission line 512 and incident on the light receiving element 532 by the function of the directional optical coupling element 536. Other configurations are the same as those of the twelfth embodiment.

本発明は、極薄膜、極微量の試料の同定等の分析に適しており、プラズマ処理された微量の物質、或いは微量のDNA等の分析に適している。
また、本発明は、光吸収が小さな液体、気体、DNA、タンパクなどの生体物質、有機物質、無機物質、薄膜などの分光分析に有効である。また、ある発明は、レーザ光源の波長を可変することなく、リングダウンパルス波形から波長吸収特性を得ることができる。
The present invention is suitable for analysis such as identification of a very thin film and a very small amount of sample, and is suitable for analysis of a small amount of plasma-treated substance or a very small amount of DNA.
In addition, the present invention is effective for spectroscopic analysis of biological materials such as liquids, gases, DNA, and proteins, organic materials, inorganic materials, and thin films that have low light absorption. Further, in one invention, the wavelength absorption characteristic can be obtained from the ring-down pulse waveform without changing the wavelength of the laser light source.

1:波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源
2:1/2波長板
3a:球レンズ
4:第1光伝送路
5:光切換器
6:光ファイバー
7:光増幅器
8:光方向性結合器
12:第1光スイッチ素子
13:第2光スイッチ素子
15:ピエゾチューブスキャナー
20:第2光伝送路
200,201,…,20n…第2光伝送路の構成する光伝送路
30:ファイバカプラ
40:ホモダイン検波器
50:処理装置
301:波長可変フェムト秒ソリトンパルス光源
302:1/2波長板
303a、303b:球レンズ
304:偏波保持ファイバ
305:ビームスプリッタ
306:偏光ビームスプリッタ
307:1/4波長板
308:ガルバノミラー
311、312:高反射ミラー
321、322:両凸レンズ
330:ファイバカプラ
331、332、331’、332’:光ファイバ
340:バランス型検出器
350:A/D変換及びデジタル処理装置
410,490…光ファイバー
421…第2偏光子
422…第1偏光子
423…ファラデー回転子
412…第1光伝送路
413…第2光伝送路
415…光増幅素子
436,437…方向性光結合素子
510,590…光ファイバー
521…第2偏光子
522…第1偏光子
523…ファラデー回転子
512…第1光伝送路
513…第2光伝送路
536,537…方向性光結合素子
1: wavelength tunable femtosecond soliton pulse light source 2: half wave plate 3a: spherical lens 4: first optical transmission line 5: optical switch 6: optical fiber 7: optical amplifier 8: optical directional coupler 12: first Optical switch element 13: Second optical switch element 15: Piezo tube scanner 20: Second optical transmission line 200, 201,..., 20n ... Optical transmission line constituting second optical transmission line 30: Fiber coupler 40: Homodyne detector 50: Processing device 301: Wavelength variable femtosecond soliton pulse light source 302: 1/2 wavelength plate 303a, 303b: spherical lens 304: polarization maintaining fiber 305: beam splitter 306: polarization beam splitter 307: 1/4 wavelength plate 308: Galvano mirrors 311, 312: High reflection mirrors 321, 322: Biconvex lens 330: Fiber coupler 331, 32, 331 ', 332': Optical fiber 340: Balanced detector 350: A / D conversion and digital processing device 410, 490 ... Optical fiber 421 ... Second polarizer 422 ... First polarizer 423 ... Faraday rotator 412 ... First optical transmission line 413 ... Second optical transmission line 415 ... Optical amplification element 436, 437 ... Directional optical coupling element 510, 590 ... Optical fiber 521 ... Second polarizer 522 ... First polarizer 523 ... Faraday rotator 512 ... First optical transmission line 513 ... Second optical transmission line 536, 537 ... Directional optical coupling element

Claims (4)

光吸収特性を測定すべき試料と相互作用する光ファイバーにパルスレーザ光を導き、試料の光吸収によるリングダウンパルス光を外部に出力してこのリングダウンパルス光の減衰特性から試料の吸収特性を測定することを特徴とする分光方法において、
前記パルスレーザ光をスペクトルが広いレーザ光とし、前記光ファイバーを強分散光ファイバーとし、前記リングダウンパルス光のパルス幅を順次広くして、波長に対応した時刻列におけるパルス列のリングダウン減衰定数から波長吸収特性を測定することを特徴とする分光方法。
The pulsed laser light is guided to the optical fiber that interacts with the sample whose light absorption characteristics are to be measured, and the ringdown pulse light due to the light absorption of the sample is output to the outside, and the absorption characteristics of the sample are measured from the attenuation characteristics of this ringdown pulse light In the spectroscopic method characterized by:
The pulse laser beam is a laser beam having a broad spectrum, the optical fiber is a strong dispersion optical fiber, the pulse width of the ring-down pulse light is sequentially increased, and the wavelength absorption is performed from the ring-down attenuation constant of the pulse train in the time train corresponding to the wavelength. A spectroscopic method characterized by measuring characteristics.
試料の光吸収特性を測定する分光装置において、
光吸収特性を測定すべき試料にレーザパルス光を導く強分散の光ファイバーと、
スペクトル幅の広いレーザパルス光を発生するレーザ装置と、
前記光ファイバーを循環又は往復移動するリングダウンパルス光のパルス幅を順次広くして、外部に出力し、このリングダウンパルス光の減衰特性において、波長に対応した時刻列におけるパルス列のリングダウン減衰定数から波長吸収特性を得る処理装置と
を有することを特徴とする分光装置。
In a spectroscopic device that measures the light absorption characteristics of a sample,
A strongly dispersed optical fiber that guides the laser pulse light to the sample whose light absorption characteristics are to be measured;
A laser device that generates laser pulse light having a wide spectral width;
The pulse width of the ring-down pulse light that circulates or reciprocates through the optical fiber is sequentially widened and output to the outside. In the attenuation characteristic of this ring-down pulse light, from the ring-down attenuation constant of the pulse train in the time train corresponding to the wavelength And a processing device for obtaining wavelength absorption characteristics.
前記光ファイバーに光結合する第1光伝送路と、その第1光伝送路を前記光ファイバーに光結合させる方向性光結合素子とを有し、その第1光伝送路の一端に前記レーザ装置、他端に前記リングダウンパルス光を受光する前記処理装置の受光素子を設けたことを特徴とする請求項2に記載の分光装置。   A first optical transmission line that optically couples to the optical fiber, and a directional optical coupling element that optically couples the first optical transmission line to the optical fiber, and the laser device, etc. at one end of the first optical transmission line The spectroscopic device according to claim 2, wherein a light receiving element of the processing device that receives the ring-down pulse light is provided at an end. 前記光ファイバーにおいて前記方向性光結合素子と異なる位置に配設された他の光結合素子により、前記リングダウンパルス光を前記第1光伝送路と異なる第2光伝送路に出力させ、この第2光伝送路に前記処理装置の受光素子を接続したことを特徴とする請求項2に記載の分光装置。   The ring-down pulse light is output to a second optical transmission line different from the first optical transmission line by another optical coupling element disposed at a position different from the directional optical coupling element in the optical fiber, and the second The spectroscopic device according to claim 2, wherein a light receiving element of the processing device is connected to an optical transmission line.
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